ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE TRICÓPTERO CONTROLADO DE FORMA REMOTA MEDIANTE RADIOFRECUENCIA PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL

SARCHE CARRIÓN FELIPE ESTEBAN [email protected] VÁSCONEZ FUERTES KENNEDY JOHN [email protected] DIRECTOR: PhD. ANDRÉS ROSALES ACOSTA [email protected]

Quito, Diciembre 2012

CONTENIDO RESUMEN ............................................................................................................... i PRESENTACIÓN ....................................................................................................ii OBJETIVOS............................................................................................................ iii ALCANCE ...............................................................................................................iv JUSTIFICACIÓN..................................................................................................... v

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ............................................................................. 1 1.1.

RESEÑA HISTÓRICA SOBRE UAV......................................................... 1

1.1.1. CATEGORÍAS DE LOS UAV .............................................................. 3 1.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS UAV .......................................................... 4 1.1.3. AERONAVES R/C ............................................................................... 5 1.2.

DEFINICIÓN DE AEROBOT..................................................................... 5

1.2.1. CARACTERÍSTICAS DE UN AEROBOT ............................................ 5 1.2.2. FUNCIONES DE UN AEROBOT ......................................................... 6 1.3.

MULTICÓPTEROS ................................................................................... 7

1.3.1. TIPOS DE MULTICÓPTEROS ............................................................ 8 1.3.1.1. TRICÓPTERO .............................................................................. 8 1.3.1.2. CUADRICÓPTERO ...................................................................... 9 1.3.1.3. HEXACÓPTERO .......................................................................... 9 1.3.1.4. OCTOCÓPTERO ........................................................................ 10 1.3.1.5. MULTICÓPTERO ....................................................................... 11 1.4.

ÁNGULOS DE NAVEGACIÓN DE UN MULTICÓPTERO ...................... 12

1.4.1. EJE LATERAL: PITCH ...................................................................... 12 1.4.2. EJE LONGITUDINAL: ROLL ............................................................. 13 1.4.3. EJE VERTICAL: YAW ....................................................................... 13

CAPÍTULO

2:

DESCRIPCIÓN

GENERAL

DE

LOS

AEROBOTS

Y

SUS

APLICACIONES ................................................................................................... 15 2.1.

PROYECTOS DE MULTICÓPTEROS EN UNIVERSIDADES Y EN LA

INDUSTRIA ....................................................................................................... 15 2.2.

ARQUEOLOGÍA AEREA ........................................................................ 22

2.3.

ECOSISTEMAS Y BIOLOGÍA ................................................................ 23

2.4.

BUSQUEDA Y RESCATE ...................................................................... 23

2.5.

EXPLORACIÓN ESPACIAL ................................................................... 24

2.6.

APLICACIONES DE ENTRETENIMIENTO ............................................ 25

2.7.

MAPEO EN 3D ....................................................................................... 26

2.8.

EL FUTURO DEL TRANSPORTE AÉREO............................................. 27

2.9.

APLICACIONES FUTURAS ................................................................... 28

CAPÍTULO 3: ESTUDIO DEL RADIO CONTROL Y LOS MOTORES BRUSHLESS .............................................................................................................................. 31 3.1.

TERMINOLOGÍA BÁSICA DE UN RADIO CONTROL ........................... 31

3.1.1. CANAL .............................................................................................. 32 3.1.2. FRECUENCIA DE TRABAJO............................................................ 33 3.1.3. EQUIPOS DE RADIO DE 2.4 GHZ ................................................... 34 3.1.4. MODULACIONES ............................................................................. 36 3.1.4.1. TIPO DE MODULACIÓN ............................................................... 36 3.2.

EQUIPO FUTABA 6EX-2.4GHZ ............................................................. 40

3.2.1. TRANSMISOR .................................................................................. 40 3.2.2. RECEPTOR ...................................................................................... 43 3.3.

MOTORES BRUSHLESS ....................................................................... 45

3.3.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES BRUSHLESS ................. 46 3.3.2. PARTES CONSTITUTIVAS .............................................................. 47 3.3.3. TIPOS DEMOTORES BRUSHLESS ................................................. 48 3.4.

CONTROLADORES ELECTRÓNICOS DE VELOCIDAD (ESC)............ 50

3.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS ESCs PROGRMABLES .................... 54 3.5.

BATERÍAS .............................................................................................. 55

3.5.1. TIPOS DE BATERÍAS ....................................................................... 56 3.5.1.1. BATERÍAS LIPO .............................................................................. 56 3.5.1.2. BATERÍAS NI-CD ............................................................................ 58 3.5.1.3. BATERÍAS NI-MH ........................................................................... 60 3.6.

PROPELAS ............................................................................................ 61

3.6.1. TIPOS DE PROPELAS ..................................................................... 64 3.6.1.1. PROPELAS APC ............................................................................. 64 3.6.1.2. PROPELAS GRAUPNER ............................................................. 66 3.6.1.3. PROPELAS GWS............................................................................ 67

CAPÍTULO 4: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRICÓPTERO ................... 70 4.1.

DISEÑO MECÁNICO Y ELECTRÓNICO DEL TRICÓPTERO ............... 70

4.1.1. ESPECIFICACIONES DEL PROTOTIPO ......................................... 70 4.1.2. MODELO LÓGICO DEL TRICÓPTERO............................................ 71 4.1.3. ESTIMACIÓN DE MASA ................................................................... 72 4.1.4. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA (FRAME) ........................ 73 4.1.5. CÁLCULO DEL EMPUJE ESTÁTICO ............................................... 75 4.1.6. MOTORS DC .................................................................................... 77 4.1.7. SELECCIÓN DE HÉLICE Y MOTOR ................................................ 78 4.1.8. SELECCIÓN DE ESC ....................................................................... 80 4.1.9. SELECCIÓN DE BATERÍA ............................................................... 81 4.1.10. DISEÑO DE LA TARJETA DE CONTROL ........................................ 83 4.1.10.1. DIAGRAMA DE FLUJO DE LA TARJETA DE CONTROL 86 4.1.11. PROGRAMA DE CONTROL ............................................................. 87 4.1.11.1. TIPOS DE SEÑALES ..................................................................... 87 4.1.11.2. PROCESAMIENTO DE SEÑALES DEL RECEPTOR ......... 87

4.1.11.3. ÓBTENCIÓN DE LA SEÑAL DE SALIDA ................................ 88

CAPÍTULO 5: PRUEBAS Y RESULTADOS ......................................................... 90 5.1.

MODELO 1 ............................................................................................. 90

5.2.

MODELO 2 ............................................................................................. 91

5.3.

MODELO 3 ............................................................................................. 92

5.4.

MODELO 4 ............................................................................................. 93

5.5.

MODELO 5 ............................................................................................. 94

5.6.

MODELO 6 ............................................................................................. 95

5.7.

MODELO 7 ............................................................................................. 97

5.8.

MODELO 8 ............................................................................................. 97

5.9.

MODELO 9 ............................................................................................. 98

5.10. MODELO 10 ......................................................................................... 100 5.11. PRUEBAS REALIZADAS ..................................................................... 105 5.11. RESUMEN DE MATERIALES PROBADOS ......................................... 106 5.12. LISTA DE MATERIALES ADQUIRIDOS .............................................. 108

CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................... 111 6.1.

CONCLUSIONES ................................................................................. 111

6.2.

RECOMENDACIONES ......................................................................... 114

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 118

ANEXOS ............................................................................................................. 125 ANEXO 1: BALANCEO DE HÉLICES ............................................................. 125 ANEXO 2: AIR CRAFT DATASHEET ............................................................. 127 ANEXO 3: CIRCUITO IMPRESO DE LA PLACA DE CONTROL .................... 131 ANEXO 4: CIRCUITO ELECTRÓNICO DE LA PLACA DE CONTROL .......... 135 ANEXO 5: DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA .................................... 136

ÍNDICE DE FIGURAS Fig. 1.1 Helicóptero UAV ........................................................................................ 3 Fig. 1.2 Estructura de un tricóptero......................................................................... 8 Fig. 1.3 Estructura de un cuadricóptero .................................................................. 9 Fig. 1.4 Estructura de un hexacóptero .................................................................. 10 Fig. 1.5 Estructura de un octocóptero ................................................................... 11 Fig. 1.6 Ángulos de navegación............................................................................ 12 Fig. 1.7 Yaw, Roll y Pitch ...................................................................................... 14 Fig. 2.1 AirRobot ................................................................................................... 16 Fig. 2.2 Banshee................................................................................................... 17 Fig. 2.3 TriBelle..................................................................................................... 18 Fig. 2.4 JAviator .................................................................................................... 19 Fig. 2.5 STARMAC ............................................................................................... 20 Fig. 2.6 Parrot A.R, Drone .................................................................................... 20 Fig. 2.7.UFO MX400 ............................................................................................. 21 Fig. 2.8. Ortofoto del yacimiento de Peña Furaba tomada por un hexacóptero .... 22 Fig. 2.9. Drone esférico ........................................................................................ 23 Fig. 2.10 Aerobot tipo globo en Marte................................................................... 25 Fig. 2.11 Droid jugador de tenis ............................................................................ 25 Fig. 2.12 Minicópter Siemens ............................................................................... 27 Fig. 2.13 E-Volo .................................................................................................... 27 Fig. 2.14 Mosquito Helicopter Concept ................................................................. 28 Fig. 3.1 Receptor Futaba R606FS-2.4GHz ........................................................... 35 Fig. 3.2 Ejemplo de pulso de modulación ............................................................. 36 Fig. 3.3 Señal de control de 4 canales.................................................................. 38 Fig. 3.4 Señal de control de 4 canales.................................................................. 39 Fig. 3.5 Radio Futaba 6EX-2.4GHz ...................................................................... 41

Fig. 3.6 ReceptorFutabaR606FS-2.4GHz............................................................. 44 Fig. 3.7 Partes principales de un motor brushless outrunner ................................ 48 Fig. 3.8 Bobinados en delta y en estrella para un motor brushless ...................... 49 Fig. 3.9 Bobinados en delta y en estrella para un mayor número de polos .......... 50 Fig. 3.10 Onda sinusoidal de una fase a la salida del ESC .................................. 51 Fig. 3.11 Partes constitutivas de un ESC ............................................................. 52 Fig. 3.12 Secuencia de conmutación en un motor brushless ............................... 53 Fig. 3.13 Parámetros descriptivos de una propela: diámetro ................................ 62 Fig. 3.14 Parámetros descriptivos de una propela: pitch ...................................... 62 Fig. 3.15 Propelas tipo Pusher y Tractor .............................................................. 63 Fig. 3.16 APC Slow-Flyer, Sport, and Thin-Electric propellers ............................. 64 Fig. 3.17 Características Geométricas, Curva de Eficiencia, y Curva de Empuje 65 Fig. 3.18 Graupner CAM, CAM Slim, and Super-Nylon propellers ....................... 66 Fig. 3.19 Características Geométricas, Curva de Eficiencia, y Curva de Empuje 67 Fig. 3.20 GWS Hyper-Drive, and Slow-Flyer propellers........................................ 68 Fig. 3.21 Características Geométricas, Curva de Eficiencia, Curva de Empuje,…… ………….y Curva de Potencia .............................................................................. 69 Fig. 4.1 Esquema lógico y elementos electrónicos del tricóptero ......................... 71 Fig. 4.2 Diagrama de Bloques del control del tricóptero ....................................... 72 Fig. 4.3 Diseño final de la estructura del tricóptero ............................................... 74 Fig. 4.4 Torque vs Velocidad de un motor DC ...................................................... 77 Fig. 4.5 Sentido de giro de los motores en el tricóptero ........................................ 83 Fig. 4.6 Esquema de tarjeta de control y elementos electrónicos del tricóptero ... 84 Fig. 4.7 Diagrama de Bloques del control del tricóptero ....................................... 84 Fig. 4.8 Diagrama de Bloques del control del tricóptero ....................................... 86 Fig. 4.9 Señal tipo servo activadora de interrupción ............................................. 88 Fig. 4.10 Secuencia de armado del tricóptero ...................................................... 88 Fig. 4.11 Secuencia de apagado del tricóptero .................................................... 89

Fig. 5.1 Modelo 1 .................................................................................................. 91 Fig. 5.2 Modelo 2 .................................................................................................. 92 Fig. 5.3 Modelo 3 .................................................................................................. 93 Fig. 5.4 Modelo 4 .................................................................................................. 94 Fig. 5.5 Modelo 5 .................................................................................................. 95 Fig. 5.6 Modelo 6 .................................................................................................. 96 Fig. 5.7 Modelo 7 .................................................................................................. 97 Fig. 5.8 Modelo 8 .................................................................................................. 98 Fig. 5.9 Modelo 9 ................................................................................................ 100 Fig. 5.10 Cámara HD de 120 grados .................................................................. 101 Fig. 5.11 Sistema Tx/Rx de video de 5.8 GHz .................................................... 102 Fig. 5.12 Gafas Turnigy FPV .............................................................................. 103 Fig. 5.13 Modelo 10 ............................................................................................ 104 Fig. 5.14 Resumen de estructuras: chasis y brazos ........................................... 106 Fig. 5.15 Hélices, tipos y diametros probados .................................................... 107 Fig. A.1. ejemplo de corrección del peso de la hélice ......................................... 125 Fig. A.2. Hélices, tipos y diametros probados ..................................................... 126 Fig. A.3. Ejemplo de hélice balanceada.............................................................. 126 Fig. A.4. Placa con giroscopios analógicos HK401............................................. 131 Fig. A.5. Placa con giroscopios analógicos de Wii Motion Plus .......................... 131 Fig. A.6. Placa con Arduino Mini 5 V y giroscopios HK401 ................................. 132 Fig. A.7. Placa con giroscopios MURATA ENC-03 (1) ....................................... 132 Fig. A.8. Placa con giroscopios MURATA ENC-03 (2) ....................................... 133 Fig. A.9. Circuito Impreso de Placa con giroscopios MURATA ENC-03 (2) ....... 134 Fig. A.10. Circuito electrónico de la placa de control .......................................... 135

ÍNDICE DE TABLAS TABLA 2.1. Aplicaciones Futuras de Aerobots ..................................................... 28 TABLA 3.1. Configuración estándar de un receptor RC ....................................... 33 TABLA 3.2. Banda de frecuencias de 72MHz ...................................................... 33 TABLA 3.3. Banda de frecuencias de 75MHz. .................................................... 34 TABLA 3.4. Banda de frecuencias de 50MHz. .................................................... 34 TABLA 3.5. Valores transmitidos para cada canal. .............................................. 40 TABLA 3.6. Motor DC convencional vs Motor Brushless. .................................... 47 TABLA 3.7. Cuadro comparativo de tipos de baterías. ......................................... 61 TABLA 4.1. Estimación de masa .......................................................................... 72 TABLA 4.2. RPM ideal de especificaciones de motores ....................................... 78 TABLA 4.3. RPM ideal para motores según cálculos de la teoría del momento .. 79 TABLA 4.4. Tasa de descarga según el parámetro C .......................................... 81 TABLA 4.5. Tiempo de vuelo respecto a la capacidad de la batería y tasa………. …………….de descarga ....................................................................................... 82 TABLA 4.6. Elementos de la tarjeta de control ..................................................... 85 TABLA 5.1. Pruebas realizadas en el modelo final ............................................. 105

DECLARACIÓN

Nosotros, Sarche Carrión Felipe Esteban y Vásconez Fuertes Kennedy John, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes

a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,

según lo establecido por la Ley de Propiedad intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.

_________________________ Sarche Carrión Felipe Esteban

____________________________ Vásconez Fuertes Kennedy John

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Sarche Carrión Felipe Esteban y Vásconez Fuertes Kennedy John, bajo mi supervisión.

_________________________ PhD. Andrés Rosales Acosta DIRECTOR DEL PROYECTO

AGRADECIMIENTO

Agradezco

a

todos aquellos que

directamente o

indirectamente hicieron posible la materialización de este proyecto, en especial a mi madre que siempre me ha apoyado y alentado gracias a ella he logrado superar las diferentes adversidades que se me han presentado. También agradezco a las personas que compartieron su conocimiento conmigo en especial a mis profesores Dr. Andrés Rosales e Ing. Andrés Cela además de mis compañeros y amigos de toda esta etapa de mi vida uuniversitaria Mario Vega, Jorge Navarrete y Stalin Hidrobo a quienes acudía a solventar mis dudas. Finalmente agradezco a mi amigo y compañero de tesis Kennedy Vásconez quien con su habilidad e ingenio supo sortear varios obstáculos en la realización del presente proyecto.

Felipe

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mi madre Ximena Carrión y a mi hermano David Sarche a los cuales quiero mucho y por los cuales vale la pena seguir luchando.

Felipe

AGRADECIMIENTO

A mí Señor por la vida y la salud, y su fidelidad en todo momento de mi vida. A mis padres por su apoyo constante, cariño y amor. A los muchos profesores que supieron transmitir su conocimiento durante todos los años cursados. A mis compañeros por su apoyo y amistad durante toda mi vida universitaria. Al Doctor Andrés Rosales por su confianza y apoyo como tutor durante la ejecución de este proyecto. A mi compañero de tesis Felipe Sarche por su amistad y apoyo constante durante toda mi vida universitaria.

Kennedy

DEDICATORIA

Dedico este trabajo a mis padres María del Carmen y Kennedy en agradecimiento a su apoyo, sus deseos y sus invaluables consejos.

Kennedy

i

RESUMEN

Los vehículos aéreos no tripulados y los aerobots son el resultado de los diversos avances en la tecnología de miniaturización de elementos electrónicos y dispositivos como sensores inerciales y microcontroladores. Este gran avance en la tecnología ha permitido el desarrollo de diversos prototipos de robots aéreos que pueden desempeñar diversas tareas y acciones específicas dependiendo del sistema de estabilidad, los sensores utilizados, las herramientas de software disponibles y el nivel de autonomía propia de cada prototipo.

En este proyecto se presenta el diseño y construcción de un tricóptero controlado mediante radiofrecuencia, con lo cual este proyecto incursiona en la investigación y estudio de los multirotores o multicópteros. Se describen de forma general los componentes y partes constitutivas de diversos multicópteros, para luego describir el proceso de diseño mecánico, eléctrico y electrónico de un prototipo de tricóptero.

El prototipo desarrollado cuenta con una unidad de momento inercial (IMU) y un microcontrolador que actúa como cerebro para recibir y enviar señales de control que permiten mover el tricóptero a una determinada posición. El prototipo mantiene un vuelo estable en tercera persona y tiene la capacidad de emular un vuelo en primera persona mediante un sistema de Tx/Rx First Person View (FPV) y una cámara de video.

Finalmente se presentan conclusiones y recomendaciones en base a diversas pruebas realizadas en el periodo de diseño y construcción del prototipo final, las cuales se basan en la experiencia adquirida durante el desarrollo del proyecto.

ii

PRESENTACIÓN

En el presente trabajo se desarrolla el diseño y construcción de un tricóptero controlado de forma remota mediante radiofrecuencia. En el Capítulo 1 se presenta una breve reseña histórica sobre Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), su clasificación y diferencias con un multicóptero; y se resumen los diferentes tipos de multicópteros que existen con sus características. En el Capítulo 2 se hace una descripción general de los multirotores, y se presentan varias aplicaciones que abarcan desde el ámbito de investigaciones en universidades y en la industria, hasta aplicaciones específicas en diferentes campos de trabajo de diversas ramas de la ingeniería. En el Capítulo 3 se presenta un estudio descriptivo de un radio control, motores brushless, controladores de velocidad, baterías, y hélices; señalando las principales características y tipos que existen en el mercado. En el Capítulo 4 se realiza el diseño eléctrico y electrónico de un tricóptero, donde se detalla paso a paso como dimensionar y escoger cada elemento que conforma el tricóptero. Adicionalmente se presenta el diseño mecánico de la estructura de soporte y finalmente se presenta el diseño de la tarjeta de control y el programa que permite maniobrar el prototipo de tricóptero. En el Capítulo 5 se describen los diferentes modelos construidos hasta llegar al prototipo final, analizando sus características y resultados obtenidos con cada modelo. Finalmente se presenta un resumen económico de costos de materiales y elementos adquiridos para la construcción de los diferentes modelos. En el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y recomendaciones a las que se llegó luego del diseño, construcción y pruebas sobre el prototipo.

iii

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

·

Diseñar y construir un prototipo de tricópteo que cuente con un control remoto inalámbrico mediante el cual se realizarán distintos tipos de maniobras.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

·

Investigar y estudiar los diferentes tipos de plataformas robóticas de alas giratorias, existentes en la actualidad.

·

Diseñar y construir

un

prototipo

de un

tricóptero

controlado

por

radiofrecuencia, utilizando un microcontrolador como cerebro y otros sensores para su funcionamiento.

·

Incorporar un sistema conformado por una cámara inalámbrica y un par de gafas para obtener imágenes del vuelo desde la perspectiva del piloto, de manera que se provoque la sensación de un vuelo real para el usuario del prototipo.

iv

ALCANCE

·

Para el desarrollo de este proyecto se diseñará el prototipo de un tricóptero, el cual será implementado y probado. El tricóptero constará de motores sin escobillas, giroscopios, un microcontrolador, una cámara de video, y un par de gafas para efectuar las maniobras.

·

Este trabajo está orientado hacia la investigación preliminar que incursionará en el campo de la robótica aérea (aerobotics), para tratar de conseguir un prototipo de tricóptero que sea fácilmente maniobrable.

·

El tricóptero tendrá la capacidad de mantenerse en el aire con la ayuda de tres hélices y de moverse en todas las direcciones.

·

Se tendrá un control manual el cual vía radio-frecuencia tendrá la capacidad de maniobrar el tricóptero.

·

El despegue y aterrizaje será comandado por un operador utilizando un control remoto.

·

Una vez en el aire, el tricóptero mantendrá un vuelo estable controlado por un usuario con la ayuda de un control remoto por radio-frecuencia, maniobrando de acuerdo a los comandos del usuario.

·

El equipo estará diseñado para trabajar en ambientes cerrados sin perturbaciones y en ambientes abiertos con velocidades de viento relativamente bajas.

·

Se incorporarán en el sistema los sensores necesarios para desarrollar un vuelo estable.

·

El control remoto será implementado en una plataforma comercial.

·

Adicionalmente, se implementará un sistema de video para controlar el tricóptero desde el punto de vista del piloto, con lo cual se obtendrá una experiencia muy similar a comandar una aeronave pilotada.

v

JUSTIFICACIÓN

En la última década, el desarrollo tecnológico ha contribuido con la creación de elementos analógicos y digitales como sensores, giroscópios, motores DC, y microcontroladores. Sin embargo el desarrollo de sistemas robóticos de vuelo controlado está en los inicios de su desarrollo, por lo que la creación de un prototipo de tricóptero ayuda al crecimiento de la investigación y posterior aplicación de sistemas robóticos de vuelo autónomo.

El tricóptero será controlado mediante un control remoto basado en radiofrecuencia. El sistema de control realizará las acciones necesarias para el movimiento de los motores y se mantendrá una comunicación inalámbrica con el control remoto que permitirá manipular al tricóptero por una persona.

Con este trabajo se tendrá una mayor comprensión de los procesos robóticos en el campo aéreo, tanto de orden electrónico como mecánico, donde la coordinación de las diferentes partes del prototipo es esencial para un vuelo estable. Esta investigación servirá como antecedente para aplicaciones prácticas de robótica aérea, como la asistencia en tareas de seguridad en operaciones de vigilancia, o aplicaciones en la parte social orientadas a personas con discapacidad motriz inferior, quienes podrían disfrutar de la simulación en tiempo real del vuelo.

1

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN En este capítulo se proporcionará los aspectos generales referentes a los robots aéreos, explicando los puntos de mayor importancia del presente proyecto, que son: la parte mecánica de la estructura de soporte y, la parte eléctrica y electrónica. Dado que el presente proyecto inicialmente incursiona en el estudio de los aerobots o vehículos aéreos no tripulados, UAV (Unmanned Aerial Vehicle), se empieza por explicar que es un aerobot y como éstos se han desarrollado a lo largo de la historia. Adicionalmente, se explica los diferentes tipos y partes que conforman un aerobot, así como sus principales aplicaciones. También se exponen algunas generalidades eléctricas y funcionales

de un

tricóptero, el cual es el sujeto principal de este proyecto, para luego detallar su funcionamiento mecánico y electrónico, el mismo que servirá como base para el diseño del presente proyecto. Finalmente, se presentan, de forma general, algunos conceptos relacionados con el sistema de transmisión de video utilizado para emular el vuelo estable del tricóptero.

1.1.

RESEÑA HISTÓRICA SOBRE UAV

El empleo de vehículos aéreos no tripulados o UAVs ha cobrado un importante auge en los últimos años, poniéndose de manifiesto su interés para la realización de tareas peligrosas como monitorización de zonas catastróficas, localización de víctimas, inspección de infraestructuras en lugares de difícil acceso y muchas otras más, en las cuales el empleo de vehículos tripulados es difícil o peligroso. Asimismo, estos vehículos no tripulados son de interés para otras aplicaciones de vigilancia, fotografía, producción cinematográfica, etc., debido a los menores costos involucrados. El uso de vehículos aéreos no tripulados o UAVs inicia con los avances militares de la segunda guerra mundial, donde el desarrollo de nuevas armas autónomas y

2

confiables fue decisivo en el campo de batalla. Es así como estos aparatos fueron usados en misiones de reconocimiento e inteligencia desde 1950, y otros roles más desafiantes como misiones de combate. Desde 1964 el Departamento de Defensa de los Estados Unidos de Norteamérica ha desarrollado 11 diferentes UAVs, remotamente

pilotados,

que

llevaban

cámaras,

sensores,

equipo

de

comunicaciones y otras cargas. La US Navy ha estudiado la viabilidad de operación de los UAVs desde mediados de 1960 y desarrolló el QH-50 Gyrodyne Zumbido Torpedo como ejemplo temprano del desarrollo de UAVs. Sin embargo, el alto costo y la inmadurez tecnológica descartaron la adquisición de sistemas operativos necesarios para el control certero de estos vehículos aéreos [1]. Para mediados de 1990, se desarrollaron sistemas operativos que permitían tener UAVs como instrumento de un sistema de vigilancia de alcance cerrado limitados a 50 km y de alcance corto limitado a 200 km. Para finales de 1990, estas dos categorías se combinaron y nuevas emergieron. Las actuales categorías de estos vehículos son el UAV Táctico y el UAV de Resistencia [2]. En la actualidad existen diferentes tipos de UAVs con diferentes sistemas de autonomía y diversas capacidades de procesamiento de información. Desde sistemas piloteados remotamente, tales como los convencionales Remotely Piloted Vehicle (RPV) que requieren mantener visión directa y una duración de vuelo muy limitada, hasta las plataformas con grandes capacidades de vuelo tales como las que se conocen con el nombre de HALE (High Altitude/Long Endurance), que son capaces de volar a gran altura y poseen un gran rango de operación y duración de vuelo, o las MALE (Medium Altitude/Long Endurance) que alcanzan altitudes de hasta 10 km y tiempos de operación de más de 20 horas [3]. El principal inconveniente de los mencionados UAV es su elevado costo, lo cual los hace inviables para muchas aplicaciones civiles. Además, su maniobrabilidad es escasa y se ve ampliamente superada por los vehículos aéreos del tipo VTOL (Vertical Take Off and Landing), entre los que se encuentran los helicópteros a escala. En efecto, para resolver un buen número de aplicaciones como las mencionadas anteriormente, se requiere el empleo de vehículos aéreos con gran maniobrabilidad, dimensiones reducidas y fácilmente transportables. Esta tendencia se ve también favorecida por el reciente aumento de presentaciones y disminución

3

de peso de los sensores y sistemas de navegación, incluyendo GPS diferencial y sensores inerciales de elevada precisión y costo moderado. 1.1.1. CATEGORIAS DE LOS UAV

Fig. 1.1 Helicóptero UAV

1

El desarrollo de los vehículos aéreos no tripulados se remonta a mediados de 1970, donde ya se adquiere los primeros sistemas operativos que permitían controlar los primeros prototipos militares. A continuación se presenta una lista de UAV donde se ilustra su desarrollo y categorización [3]: Pionero: Producido en 1985 como un UAV provisional capaz de proporcionar imágenes de inteligencia para operaciones tácticas en tierra y ver en un rango superior a los 185 km. UAV Táctico: Diseñado para soportar operaciones tácticas con imágenes en vivo de inteligencia en rangos superiores a los 200 km. Para ello se desarrolló el Concepto de Tecnología Demostrativa Avanzada que propone un arduo proceso competitivo de adquisición y requerimientos para desarrollar este tipo de UAV. Los primeros contratos se firmaron a finales de 1999. UAV Articulado-Táctico (Cazador): Desarrollado para proveer a fuerzas marítimas y terrestres imágenes de inteligencia en tiempo real con rangos

1

.http://www.electrosecurity.net/internacional/cache/com_zoo/images/helicoptero11_0deae8be935424d0dbec1a9468ec281d.jpg/2002

4

superiores a los 200 km; extensible a más de 300 km si se implementa un segundo UAV cazador montado sobre el primero. UAV Resistente de Altitud Media (Predador): El Concepto de Tecnología Demostrativa Avanzada se transforma en Producción Inicial de Bajo Alcance. Provee imágenes de inteligencia que satisfacen necesidades de la Fuerza Articulada de Tareas y Comandos con un rango superior a las 500 millas náuticas. UAV Resistente de Altitud Alta (Halcón): Diseñados para misiones de largo alcance en amplias áreas de vigilancia, o un escaneo de sensores sobre el área objetivo. El Concepto de Tecnología Demostrativa Avanzada es manejado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos. Estación de Control Táctico: Comprende el software y los enlaces de comunicaciones para el control de los UAV Tácticos y los Predadores, y otros futuros UAV tácticos. Micro UAV (MAV): Es un programa para explorar la relevancia militar de microvehículos aéreos en futuras operaciones militares, y para el desarrollo de vuelos demostrativos, empleando tecnología para aeronaves muy pequeñas (menos de 15 cm en cualquier dirección) [4]. 1.1.2. CLASIFICACIÓN DE LOS UAV Los UAV dependiendo de su misión principal, suelen ser clasificados en 6 tipos: ·

De blanco: Sirven para simular aviones o ataques enemigos en los sistemas de defensa de tierra o aire.

·

Reconocimiento: Envían información militar. Entre éstos se destacan los MUAV (Micro Unmanned Aerial Vehicle).

·

Combate (UCAV): Combaten y llevan a cabo misiones que suelen ser muy peligrosas.

·

Logística: Son diseñados para llevar carga.

·

Investigación y desarrollo: En ellos se prueban e investigan los sistemas en desarrollo.

·

UAV comerciales y civiles: Son diseñados para propósitos civiles.

5

También pueden ser categorizados dependiendo de su techo y alcance máximo: ·

Handheld: 2000 pies de altitud, unos 2 km de alcance.

·

Close: 5000 pies de altitud, hasta 10 km de alcance.

·

NATO: 10000 pies de altitud, hasta 50 km de alcance.

·

Tactical: 18000 pies de altitud, hasta 160 km de alcance.

·

MALE: hasta 30000 pies de altitud y un alcance de unos 200 km.

·

HALE: sobre 30000 pies de techo y alcance indeterminado.

·

HYPERSONIC alta velocidad, supersónico (Mach 1-5) o hipersónico (Mach 5+) unos 50000 pies de altitud o altitud suborbital, alcance de 200 km.

·

ORBITAL: en órbitas bajas terrestres (Mach 25+).

·

CIS Lunar: viaja entre la Luna y la Tierra.

1.1.3. AERONAVES R/C Los vehículos aéreos piloteados remotamente o por control remoto se conocen como Aeronaves Radio Controladas o Aeronaves R/C. Un UAV tiene un control totalmente autónomo, mientras que una aeronave controlada remotamente no necesariamente tiene un sistema de control autónomo y generalmente es controlada por un operador mediante un radiocontrol en una frecuencia definida. Mientras que el término UAV se aplica más a máquinas con fines militares, el término Aeronave R/C se aplica a máquinas de uso civil con muchas aplicaciones.

1.2.

DEFINICIÓN DE AEROBOT

Un aerobot es un vehículo aéreo de pequeñas dimensiones con capacidad de vuelo autónomo y que cuenta con un avanzado sistema de cámara con giro estabilizado para aplicaciones tácticas. Este método hace posible que la captura de las imágenes obtenidas durante el vuelo sea de alta calidad [10]. 1.2.1. CARACTERISTICAS DE UN AEROBOT Las principales características de un aerobot pueden resumirse así: ·

Pequeño

·

Ágil

·

Ligero

6

·

Discreto

·

Puede llevar un sistema de video vigilancia

·

Transmite información en tiempo real

·

Mantiene un vuelo estable

La mayor ventaja que ofrece un aerobot es su ligera, flexible y pequeña estructura que hace posible que este objeto pueda llegar a donde ningún otro material espía actual puede ir. La tecnología que lleva incorporado el aerobot hace posible que el operador que dirija es esos momentos la máquina, pueda mantenerse fuera de peligro, al no tener que encontrarse cerca del lugar que se quiere vigilar [14]. 1.2.2. FUNCIONES DE UN AEROBOT Los robots aéreos tienen un amplio rango de aplicaciones. Entre las aplicaciones más populares se destacan: ·

Fotografía y Films Profesionales.- Cine, paquetes promocionales.

·

Video-vigilancia.-

Sobrevuelo

de

cultivos,

desarrollo

de

proyectos,

salvavidas, búsqueda y rescate. ·

Deportes.- Navegación de botes, motores, sky, carreras de caballos, etc.

Entre las funciones principales que ofrece un aerobot sobresalen: FIRST PERSON VIEW (FPV).- Permite ver lo que la cámara a bordo del aerobot muestra, como si el operador estuviera pilotando encima del robot aéreo. El uso de FPV requiere de una cámara de video. Esta cámara puede ser una pequeña cámara de seguridad o cualesquier otra cámara con salida de video. Es recomendable el uso de una pequeña cámara FPV de gran resolución y de alta respuesta de compensación a la luz. Es importante ser consciente de las capacidades de la cámara en baja y alta luz. Si se realizan vuelos en horas tempranas de la mañana y altas horas de la tarde es fácil quedar cegado si la cámara no responde rápido al cambio de luz. También es necesario un transmisor de video para la cámara. El transmisor envía la señal al receptor (estación en tierra), el cual puede reenviar la señal de video a un computador, una TV, lap-top o gafas (googles). Por otro lado, el FPV puede ser

7

usado por un segundo operador. Mientras el piloto observa el aerobot, el operador de la cámara puede usar googles y controlar la dirección de la cámara, permitiendo un rastreo manual de un objeto. Un beneficio adicional del FPV está en que el operador nunca pierde la orientación. Sin importar hacia donde la nariz apunte, los controles son siempre los mismos, a diferencia de un vuelo en tercera persona, donde los controles son inversos y el operador vuela guiado por la dirección de la nariz del aerobot. El FPV puede tener sus riesgos. Es primordial que las baterías sean revisadas antes del vuelo. Si solo una de las baterías está descargada o baja en carga es muy probable la pérdida de vista del aerobot y su posterior choque causando posiblemente daño a otros, al operador, o al aerobot. VUELO AUTÓNOMO.- Los robots aéreos pueden ser controlados de forma manual o de forma automática. Mediante el uso de sensores GPS, brújulas y tarjetas de control de navegación, un aerobot puede alcanzar y mantener una posición determinada en el espacio. El uso conjunto de medidores de altitud permite al aerobot mantenerse estable en el aire. Esta peculiaridad es muy útil para tomar fotografías y videos. También es posible programar al aerobot para que siga un trazado de vuelo usando un GPS, una brújula, un sistema de telemetría y un sistema de geoposicionamiento. Esta característica tiene muchas aplicaciones, pero es importante ser capaz de retomar el control manual por parte del operador cuando se usa el vuelo autónomo en caso de presentarse un error.

1.3.

MULTICÓPTEROS

El término multicópteros se aplica a helicópteros de varias hélices, normalmente más de tres, distribuidas en un plano y sin rotor de cola. Un multicóptero cumple con las características de un aerobot, por lo que también es uno de ellos. La mayor parte de multicópteros son teledirigidos y algunos ya cuentan con sistemas autónomos que permiten un control por computadora y su cambio a

8

control manual. Entre las ventajas que tienen estos x-cópteros se destaca su estabilidad de vuelo manteniendo una mecánica muy sencilla: todos los movimientos se realizan por control de la velocidad de los motores, trasladando así toda la problemática del control al software de control. Adicionalmente, el precio de los componentes electrónicos usados ha decrecido considerablemente gracias a la miniaturización y abaratamiento de los mismos [15]. 1.3.1. TIPOS DE MULTICÓPTEROS Una vez explicadas las principales propiedades de los multicópteros, se procederá a revisar los diferentes tipos y sus principales características. 1.3.1.1.

TRICÓPTERO

Un tricóptero es un aerobot que usa tres motores y propelas arregladas en forma triangular para mantenerse en el aire. La velocidad de estos motores puede ser controlada independientemente. Adicionalmente, el motor que actúa como cola puede ser rotado hacia la izquierda y la derecha mediante un servomotor. Una propela gira en sentido de las manecillas del reloj, dos propelas giran en contra de las manecillas del reloj para minimizar el torque. También se utilizan giroscopios para medir la velocidad angular, y acelerómetros para medir la aceleración como la gravedad; estos instrumentos permiten estabilizar el sistema que inherentemente es inestable. El piloto puede controlar el tricóptero con un control remoto por medio de radiofrecuencia, con lo que se logra un vuelo estable.

Fig. 1.2 Estructura de un tricóptero 2

http://diebotreise.blogspot.com/p/multicopteros.html

2

9

1.3.1.2.

CUADRICÓPTERO

Un cuadricóptero es un aerobot que consta de cuatro brazos los cuales sostienen un motor y una hélice cada uno. En el centro existe una estructura que sujeta los cuatro brazos y sobre ella se implementa el circuito de control y demás elementos electrónicos que permiten el funcionamiento del robot aéreo. Puede volar en dos configuraciones de hélices: (+) Mas y (x) Cruz. Es más simple mecánicamente que el tricóptero. Posee 1/3 más de empuje pesando casi lo mismo que un tricóptero y suele ser más estable ya que no tienen partes móviles en la cola movidas por un servo. Tienen más tiempo de vuelo debido a que pueden llevar baterías más grandes ya que los motores trabajan a menos revoluciones. Estos aerobots son pequeños y muy ágiles, haciéndolos perfectos para deportes aéreos.

Fig. 1.3 Estructura de un cuadricóptero

1.3.1.3.

3

HEXACÓPTERO

El hexacóptero consiste en seis motores y propelas, el mismo que puede ser configurado en dos formas: 1. Configuración Estándar.- Los motores y propelas son arreglados en forma circular. 2. Configuración Coaxial.- Tres motores giran hacia arriba y tres giran en forma invertida hacia abajo.

3

http://aerobot.com.au/images/dX_hl_quad_web-1.jpg

10

La configuración estándar es óptima para grabar videos de forma lenta y equilibrada. La configuración coaxial es usada para fotografía y para un fácil transporte de un objeto. El hexacóptero es una versión mejorada de un cuadricóptero, al poseer más potencia y mayor capacidad de carga. Posee cierta capacidad de redundancia, en tanto que si pierde un motor todavía puede aterrizar, solo se pierde el control del ángulo “yaw”. La principal desventaja está en su precio y su tamaño. Un hexacóptero es un gran medio de agilidad y estabilidad comparado con el cuadricóptero y octocóptero. Este aerobot es perfecto para todo propósito, desde deportes aéreos hasta filmar una cinta en forma lenta y precisa, vuelos de resistencia, etc.

Fig. 1.4 Estructura de un hexacóptero

1.3.1.4.

4

OCTOCÓPTERO

Un octocóptero consiste en ocho motores y propelas. Este es una de las plataformas más adecuadas para un vuelo suave, estable y seguro. El octocóptero puede ser configurado de dos formas: 1. Configuración Estándar.- Los ocho motores y sus propelas están arregladas en forma circular.

4

http://img1.mlstatic.com/s_MLB_v_O_f_206029332_4710.jpg

11

2. Configuración Coaxial.- Cuatro motores están en un plano superior y los otros cuatro motores debajo de los primeros en un plano secundario y giran en contrasentido de los superiores. La configuración estándar es la más usual y es muy útil para fotografía y viajes de carga pesada. Un octocóptero posee todo lo bueno que tienen los hexacópteros más redundancia: Si pierde un motor todavía vuela bien. Es usado para tener más seguridad cuando se ponen equipos fotográficos de alto precio. Son más caros que los hexacópteros. Requieren mucha energía para volar.

Fig. 1.5 Estructura de un octocóptero

1.3.1.5.

5

MULTICÓPTERO

Un aerobot con más de ocho motores se designa como multicóptero. Entre las ventajas de un mayor número de motores se destaca: ·

Mayor capacidad de carga.

·

No es necesario unos motores tan potentes o unas hélices tan grandes para la misma capacidad de carga.

·

Redundancia.- Es muy importante en caso de rotura o daño de una hélice o motor.

Si el número de motores aumenta, son necesarias hélices más pequeñas, que dan una respuesta más rápida, resultando un aerobot más estable. Para poder conseguir la mayor estabilidad los motores y hélices deben cambiar de velocidad lo más rápido posible. 5

http://aerobot.com.au/images/DX_Okto_RTF_web.jpg

12

1.4.

ÁNGULOS DE NAVEGACIÓN DE UN MULTICÓPTERO

Un multicóptero y cualquier aeronave es capaz de rotar alrededor de tres ejes perpendiculares entre sí. El punto de intersección está situado sobre el centro de gravedad de la aeronave. Estos tres ejes son el eje transversal o lateral, el longitudinal y el vertical [16].

Fig. 1.6 Ángulos de navegación.

6

1.4.1. EJE LATERAL: PITCH El eje longitudinal es un eje imaginario que se extiende desde la parte delantera hasta la cola de un avión. El movimiento que se realiza alrededor de este eje se denomina cabeceo [17].

Pitch es la rotación contra las manecillas del reloj de un ángulo β alrededor del ejey. La matriz de rotación está dada por:

6

http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/Images/rotations.gif

13

1.4.2. EJE LONGITUDINAL: ROLL El eje lateral o transversal es un eje imaginario que se extiende de punta a punta de las alas de un avión. El movimiento que se realiza alrededor de este eje se denomina alabeo. Roll es la rotación contra las manecillas del reloj de un ángulo γ alrededor del eje x. La matriz de rotación está dado por:

1.4.3. EJE VERTICAL: YAW El eje vertical es un eje imaginario que pasa por el centro de gravedad de un avión, y es perpendicular a los ejes transversal y longitudinal. Está contenido en un plano que pasa por el morro y la cola de la aeronave, y normalmente divide a ésta en dos partes simétricas. El movimiento que se realiza alrededor de este eje se denomina guiñada. Yaw es la rotación contra las manecillas del reloj de un ángulo α alrededor del eje z. La matriz de rotación está dado por:

Los elementos superiores de ܴ௭ ሺαሻ forman una matriz de rotación en 2D aplicada a

los ejes x y y, donde la coordenada del eje z permanece constante.

Cada matriz de rotación es una simple extensión de una matriz de 2D. Por ejemplo, la matriz ܴ௭ ሺαሻ hace una rotación en 2D con respecto a las coordenadas de x y y, mientras deja la coordenada de z sin cambio alguno. Además, la tercera fila y la

tercera columna de ܴ௭ ሺαሻ lucen como parte de una matriz identidad, mientras la parte superior de ܴ௭ ሺαሻ luce como la matriz de rotación en 2D [17].

14

Las rotaciones en Yaw, Pitch, y Roll pueden ser usadas para ubicar un cuerpo en 3D en cualquier orientación. Una simple matriz de rotación puede estar formada por la multiplicación de las matrices de rotación de Yaw, Pitch y Roll, y así obtener:

Es importante notar que ܴሺαǡ Ⱦǡ ɀሻ ejecuta primero el Roll, luego el Pitch y finalmente

Yaw.

Fig. 1.7 Yaw, Roll y Pitch.

7

La rotación del Roll es la rotación del eje X, la rotación del Pitch es la rotación del eje Y, y la rotación del Yaw es la rotación del eje Z.

7

http://img526.imageshack.us/img526/323/pyr01.gif

15

CAPÍTULO 2: DESCRIPCIÓN GENERAL DE AEROBOTS Y SUS APLICACIONES La aplicación de la robótica y de sistemas autónomos en pequeños vehículos aéreos está resultando en la creación de una clase de dispositivos llamados “aerobots”. Estos robots aéreos están en muchos tipos de configuraciones, incluyendo el tipo convencional, los de despegue vertical, y las plataformas de aterrizaje. Un aerobot se diferencia de un UAV principalmente porque el aerobot tiende a tener cierta “inteligencia artificial” que lo lleva a desempeñar una funcionalidad que va más allá del mero uso de volar entre dos posiciones determinadas. Esta visión de los aerobots se está convirtiendo poco a poco en una promesa de gran beneficio para la sociedad en general. Los pequeños robots aéreos tienen el potencial de hacer contribuciones significativas para la sociedad actual. Los diferentes tipos de aerobots serán parte de un nuevo paradigma para la distribución de bienes y servicios. Los aerobots, como un tipo de vehículo, pueden probar los beneficios del diseño aerodinámico moderno y la creación de herramientas de análisis para un nuevo diseño en cuanto a parámetros, relaciones y la tecnología necesaria para alcanzar las metas y objetivos de llevar el uso de los aerobots al espacio interno, acentuando un concepto más profundo de su uso posterior. A continuación se expondrán diversos proyectos y estudios que se están llevando a cabo con respecto a prototipos de aerobots.

2.1.

PROYECTOS DE MULTICÓPTEROS EN UNIVERSIDADES Y EN LA INDUSTRIA

AIR-ROBOT AirRobotGmbH & CoKG es un fabricante mundial activo de mini y microsistemas de vehículos aéreos no tripulados para los más diversos campos de aplicación que tiene su sede en Arnsberg, Alemania [43]. Los sistemas AirRobot son: ·

Fáciles de utilizar

·

Autónomos

·

Seguros

16

·

Se pueden emplear rápidamente

La serie de productos de AirRobotGmbH & CoKG son sistemas VTOL MicroUAV con usos militares, bajo las condiciones ambientales más diversas y extremas, lo que hace de estos sistemas una herramienta universal para la observación, reconocimiento e inspección.

Fig. 2.1 AirRobot

8

BANSHEE La Universidad de Central Florida (UCF), y su Laboratorio de Robótica ha construido un UAV para competir en el Concurso Internacional de Robótica Aérea (IARC). Nombrado como Banshee, la plataforma es del tipo despegue vertical y aterrizaje (VTOL). Tanto el vehículo y los controles de vuelo son diseños originales creados por un equipo multidisciplinario de estudiantes de la universidad. La innovación del diseño del vehículo también se puede ver en formato de bloque gráfico donde los controles del sistema se programaron. Las dificultades para controlar el movimiento de un UAV de cuatro rotores se derivan de varios factores. En particular, la interacción de los flujos de aire generada por los cuatro rotores contribuye a complejas fuerzas aerodinámicas que afectan el movimiento del vehículo. La dinámica del sistema no es sólo no lineal, sino también difícil de caracterizar de manera satisfactoria, debido a la complejidad de las propiedades aerodinámicas del sistema. Resolver el problema de seguimiento considera necesaria la derivación de un algoritmo de control adaptativo. La estrategia de control consiste en utilizar los cuatro motores para controlar la altitud del vehículo y la orientación; y a continuación establecer adecuadas orientaciones deseadas que conducen al desplazamiento horizontal deseado. 8

http://www.airrobot.de/tl_files/airrobot/images/produkte/AirRobot101.jpg

17

Fig. 2.2 Banshee

9

TRIBELLE TriBelle es fundamentalmente nuevo y revolucionario. Es el primer helicóptero con tres rotores sin articulación, con una mecánica simple, y características de vuelo no auto-estables. Un gran esfuerzo se puso en pre-producción del diseño. Las ideas, conceptos, diseño, simulación de ensayos de pruebas de soporte, una y otra vez produjeron nuevas variaciones. Es un modelo fantástico que nunca se cansa de volar, desarrollado por los alemanes Sieghard Dienlin y Stefan Dolch. Está lleno de innovaciones, muchas de ellas no son obvias a primera vista, y algunas no se ven en estrecha observación, sólo en retrospectiva [47]. Características: ·

Fácil de volar, tiene auto-estabilización, muy ágil.

·

Tres rotores sin articulación. Directivo por el control de las rpm de los tres rotores (diseño conceptual).

·

Tres funciones de dirección: roll, pitch y yaw.

·

Ideal para volar dentro o fuera.

·

Gama extrema de velocidad: 0 - 50 km/h. Adecuado para su uso en condiciones de viento.

·

Tiene alta eficiencia energética, 13 minutos de tiempo de vuelo con 6 celdas de 750 mAh Sanyo Twicell, baterías NiMH.

·

Casi indestructible y ultra ligera estructura de fibra de carbono. Sólo 280 gramos de peso que vuelan.

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http://robotics.ucf.edu/air/activetest.jpg

18

Fig. 2.3. TriBelle

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JAVIATOR El proyecto JAviator es un proyecto de investigación del Grupo de Sistemas de Computación en el Departamento de Ciencias de la Computación en la Universidad de Salzburgo, Austria. El objetivo del proyecto es desarrollar abstracciones de alto nivel de programación en tiempo real y probarlos en vehículos aéreos no tripulados. Se trabaja en metodologías que permitan desarrollar portátiles de programación de alto rendimiento y de tiempo real de aplicaciones en Java. El código de solicitud resultante no sólo es eficaz, sino también sólido con respecto al tiempo real. Programas portátiles no cambian su comportamiento en tiempo real a través de diferentes plataformas de hardware y aplicaciones de trabajo similares a las de Java de una sola escritura ejecución. En colaboración con el IBMTJ Centro de Investigación Watson en Hawthorne, Nueva York, EE.UU., se está desarrollando una infraestructura de software que soporta el tiempo de ejecución portátil de programas en Java. Se probó las implementaciones en el JAviator, que es un helicóptero quadrotor eléctrico en forma de cruz con cuatro rotores, uno en cada extremo. Un par de rotores opuestos giran en sentido horario, y el otro en sentido anti horario [54]. El JAviator se controla simplemente ajustando la velocidad de los rotores sin cambiar el ángulo de las palas del rotor. El JAviator es mecánicamente más simple que un helicóptero tradicional, pero muy ágil y aun así inherentemente inestable y por lo tanto muy difícil de volar. El diseño y fabricación del JAviator se hizo desde cero utilizando sólo materiales de alto rendimiento, tales como fibra de carbono, 10

http://www.braunmod.de/Tribelle1.jpg

19

aluminio de los aviones, y el titanio médico. El JAviator es un laboratorio de software de forma autónomo volador que soporta una elevada carga útil para una variedad de sensores complejos, tales como el GPS, sonares, y láser, así como servicios de redes tales como WLAN y RS232 inalámbrico.

Fig. 2.4 JAviator

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STARMAC El Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for Multi-Agent Control (STARMAC) es una cama de vehículo de prueba de múltiples usos, utilizado para demostrar nuevos conceptos en el control de agentes múltiples en una plataforma en el mundo real. Con el fin de hacer un banco de pruebas fácil de usar, se enfocó en un pequeño y ligero prototipo, cuyo diseño es de bajo costo, el mismo que presenta numerosas oportunidades para el trabajo innovador. STARMAC consta de hasta ocho vehículos quadrotores en forma autónoma con seguimiento de una trayectoria de punto de referencia determinado, y los objetivos principales del proyecto están en dos fases:

·

Fase1: El vehículo y el banco de pruebas de diseño y vuelo.

·

Fase 2: Demostración de control multiagente.

Actualmente, el proyecto STARMAC ha completado la Fase 1 del plan, con el vuelo autónomo de dos vehículos. Ahora los esfuerzos se pueden centrar en la práctica y demostración de algunas de las investigaciones en curso en el Laboratorio de Sistemas Híbridos.

11

http://javiator.cs.uni-salzburg.at/javiator_v2_logo.jpg

20

Fig. 2.5 STARMAC

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A.R. DRONE Es un dispositivo innovador que combina lo mejor de varios mundos, incluyendo el modelado de los videojuegos, y la realidad aumentada. El AR.Drone se controla a distancia mediante un iPhone. El dispositivo cuenta con una serie de sensores, incluyendo una cámara frontal, una cámara vertical y un altímetro. El AR.Drone también se puede utilizaren los juegos de vídeo, como AR.Flying Ace, con un mano a mano entre dos AR.Drones. Este juego incorpora la realidad aumentada, en especial para el fuego de misiles de modelado. El rango promedio es de 50 metros/160 pies, y será mayor si el AR.Drone se utiliza en un amplio espacio abierto con pocas ondas Wi-Fi [19].

Fig. 2.6 Parrot A.R, Drone

12

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http://hybrid.stanford.edu/%7Estarmac/albums/Summer2003/images/09_Third_Flight.jpg http://1.bp.blogspot.com/-4CGTsriF1ek/TV-vZIYDBiI/AAAAAAAACAY/62t4Fob0Ocg/s200/ParrotAR-Drone-Quadricopter.jpg

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ARDUCOPTER, ARDUPILOT, Y AEROQUAD Son quadricópteros basados en la plataforma comercial de Arduino. Sus características son [20]: · · · · · · · · · · · · · · · ·

6 grados de libertad IMU estabilizando el control. Gyro acrobacias de vuelo estabilizado. GPS para mantenerla posición y magnetómetro. Barómetro de mantenimiento de altitud. Integración del sensor de infrarrojos para la evitación de obstáculos Sonda del sensor para el despegue y el aterrizaje automático. Control del motor con bajos costos estándar PWM. Almacenamiento de datos en vuelo de telemetría. Cámara montada con capacidad de estabilización. Mando inalámbrico y de telemetría para la comunicación de larga distancia. Capacidad para volar en el "+", "x", hexa y configuraciones de octo. Detección de nivel de batería. Capacidad para utilizar cualquier receptor R/C. Gráficos en tiempo real de datos de vuelo. Interfaz gráfica de usuario para la configuración de los parámetros de vuelo y de otro tipo PID. Punto de referencia de programación de uso de Google Maps [21].

WALKERA Guangzhou Walkera Technology Co., LTD. se ha convertido en un profesional de aero-modelos del fabricante que unifica la investigación de productos y desarrollo, producción, comercialización y servicio. La fábrica de Walkera, ubicada en el distrito de Panyu, en la ciudad de Guangzhou, cuenta con 40000 m2 con jardines, talleres y más de 1000 ingenieros de alto nivel y hábiles trabajadores. Walkera comercializa productos de la misma marca los cuales integran entre sí la parte mecánica, electrónica, software y la aerodinámica. Todos los elementos están protegidos por patentes. Sus productos son exportados a Europa, América, Sudeste de Asia, y en todo el mundo [42].

Fig. 2.7 UFO MX400

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14

http://www.walkera.com/cn/pro_image/FEA_UF0-MX400_901_en.jpg

22

Características: ·

Tiene tecnología bidireccional con la función de GPS aplicado.

·

Actualiza la radio en línea y Bi-dirección de servicio de controlador.

·

El más nuevo de 6 ejes de control de la tecnología hace que el vuelo sea muy estable.

·

2.2.

Tiene una escalera de escala única de simulación de patín de aterrizaje.

ARQUEOLOGÍA AÉREA

Los multicópteros tienen una aplicación en el campo de la arqueología, donde es importante obtener fotografías aéreas que permitan determinar dimensiones y posibles sitios de interés donde escavar. Por ejemplo, apoyándose en la vista aérea proporcionada por un hexacóptero, se descubrió un lugar donde se adoraba a una diosa de la fertilidad en Coíros, La Coruña-España. Las fotografías brindadas por el aerobot permiten levantar datos de la ubicación de murallas, casas, plataformas, etc [63].

Fig. 2.8 Ortofoto del yacimiento de Peña Furaba tomada por un hexacóptero

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http://blogueiros.axena.org/wp-content/uploads/2011/11/cenit_moura.jpg

15

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2.3.

ECOSISTEMAS Y BIOLOGÍA

Los biólogos de algunos parques nacionales se apoyan en las imágenes y videos de diversos multicópteros que permiten monitorear zonas específicas y estudiar ecosistemas de difícil alcance. Por ejemplo, en el Parque Natural de Levante en Mallorca, biólogos utilizan un aerobot para estudiar el estado de la vegetación después del invierno, realizando seguimientos y controles estadísticos del ecosistema en este parque. También en la agricultura cercana del lugar se busca detectar males de la planta y actuar rápidamente en el lugar en concreto con el rápido uso de pesticidas y medicamentos preventivos para obtener una cosecha rentable [65].

2.4.

BÚSQUEDA Y RESCATE

Las aplicaciones en cuanto a acciones de reconocimiento de zonas de difícil acceso, así como video-vigilancia están en las etapas iniciales de desarrollo. Existen varios modelos de multicópteros que son utilizados con estos fines. Por ejemplo, el Ministerio de Defensa de Japón recientemente expuso un nuevo aerobot que tiene una forma esférica, su despegue es vertical y se mueve como un helicóptero pero con más libertad. Su finalidad es alcanzar zonas inaccesibles para búsqueda y rescate, pudiendo aterrizar y moverse en el campo simplemente girando como un balón hasta alcanzar su objetivo [64].

Fig. 2.9 Drone esférico

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16

http://blogueiros.axena.org/wp-content/uploads/2011/11/cenit_moura.jpg

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Las aplicaciones en cuanto al reconocimiento de zonas de las cuales no se dispone de datos topológicos o mapas también son un nuevo uso de los multicópteros.

2.5.

EXPLORACIÓN ESPACIAL

El uso de aerobots en el campo aeroespacial es nuevo y actual. Actualmente existen muchos prototipos que ya han sido utilizados y serán usados en futuras misiones de exploración centradas en el planeta Marte, donde la necesidad de contar con un medio para conocer el medio, los rasgos y características más relevantes del terreno y de posibles sitios de aterrizaje es importante para una posterior colonización si es el caso. Los aerobots que se diseñan actualmente tienen la capacidad de moverse sobre la superficie, con un recorrido de muchos kilómetros, con los cuales se espera recolectar información cien veces más grande que la obtenida por una nave espacial orbital. Los aerobots para Marte representan un progreso en cuanto a la exploración interplanetaria ya que superan a misiones anteriores como la misión Venus Vega y a los diversos vehículos que se desplazan en la superficie y que cuentan con una perspectiva limitada [66]. Entre las diversas misiones que se planean para el futuro de Marte consta por ejemplo el desarrollo del Aerobot Tecnología Experimentación de Marte, el Aerobot de Geociencia de Marte, y el Aerobot de propulsión de energía solar. Entre los objetivos de estos proyectos se destaca el estudio de la morfología de la superficie en alta resolución para obtener las visiones de los rasgos de la superficie y procesos como la actividad volcánica y propiedades termo físicas. Para ello el aerobot planetario debe realizar las siguientes funciones:

·

Determinar su posición, velocidad y altitud.

·

Adquisición de los datos científicos.

·

Controlar su altitud y aterrizar en las superficies designados.

Los aerobots planetarios pueden cambiar su altitud y acoplarse a los vientos en las atmósferas mientras estudian la meteorología y la química atmosférica, características de un determinado planeta [67].

25

Fig. 2.10 Aerobot tipo globo en Marte

2.6.

17

APLICACIONES DE ENTRETENIMIENTO

Una aplicación muy extendida en aeromodelismo y que rápidamente está creciendo es el uso de multicópteros para el entretenimiento o diversión personal. El gusto de poder maniobrar un multirotor hoy en día ha crecido gracias a la gran aceptación especialmente de los cuadricópteros o droids que han creado un sector de mercado muy importante y que sigue creciendo cada día [67].

Más allá de esto, se

desarrollan aerobots con aplicaciones deportivas como es el caso de un aerobot diseñado con el objetivo de jugar tenis en el Flying Machine Arena en Zurich, Suiza. Otra aplicación del uso de aerobots, es para tocar instrumentos musicales como los modelos desarrollados en la Universidad de Pennsylvania, donde los drones creados tienen la capacidad de tocar diversos instrumentos musicales como tambores, un órgano, un piano y una guitarra [68].

Fig. 2.11 Droid jugador de tenis.

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http://proton.ucting.udg.mx/robotica/r166/r126/r126_archivos/image002.jpg http://blogueiros.axena.org/wp-content/uploads/2011/10/robot-tenis.jpg

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26

2.7.

MAPEO EN 3D

Siemens utiliza un mini-helicóptero equipado con sensores a bordo para recoger e interpretar los vídeos. Conocido como el quadricopter, el avión utiliza los datos para crear un modelo digital 3D de su entorno inmediato. Varios científicos de la computación de trabajo de Tecnología Corporativa de Princeton y Munich se han unido con expertos en robótica del Instituto de Tecnología de Massachusetts cerca de Boston, para desarrollar este ojo sofisticado en el cielo. El objetivo del proyecto es crear un sistema capaz de producir modelos digitales de los interiores de complejos y la inspección de las instalaciones de difícil acceso. Para los investigadores que trabajan en inteligencia artificial, el desarrollo de un sistema con capacidad visual sigue siendo, incluso después de 50 años, un gran desafío. Cuando se trata de ver el mundo real, los ordenadores son todavía muy primitivos. En Siemens, los investigadores están progresando en la enseñanza del quadricopter para visualización. El sistema no tripulado mide casi un metro de diámetro y está equipado con cuatro rotores. En un vuelo utiliza un láser para escanear sus alrededores. Los sensores ópticos y cámaras de vídeo graban cada detalle. En un proceso conocido como "aprendizaje supervisado", tales sistemas son inicialmente preparados con cientos de miles de imágenes, con lo que el aerobot imita el proceso por el cual un niño aprende a distinguir, por ejemplo, un árbol de un mástil de la antena sobre la base de que ya ha visto un sinnúmero de objetos. Los algoritmos inteligentes buscan en estas imágenes rasgos característicos. Sobre esta base, el quadricopter es capaz de compilar un preciso modelo digital 3D de su entorno en áreas tales como instalaciones de transporte de equipaje, los edificios de fábrica, o lugares de eventos para los fines de la planificación de la construcción o inspección de la construcción. En el futuro el aerobot podrá volar en operaciones de rutina para inspeccionar las instalaciones en gran medida inaccesibles, tales como plantas de energía eólica y torres de energía [71].

27

19

Fig. 2.12 Minicópter Siemens.

2.8.

EL FUTURO DEL TRASPORTE AÉREO

Existen muchos prototipos de multicópteros de escala humana, los cuales son diseñados para, en un futuro, reemplazar a los automóviles y cambiar las carreteras pavimentadas por trayectorias aéreas. Entre estos prototipos destacan los proyectos E-Volo, Sirkosky Firefly, y Eurocopter.

Fig. 2.13 E-Volo

20

En la Figura 2.13, el proyecto E-Volo busca crear un aerobot lo suficientemente grande como para levantar a una persona. En este proyecto ha estado trabajando en un gigantesco multicóptero hombre-elevación. El vuelo fue totalmente alimentado por baterías [72].

19

http://www.siemens.com/innovation/pool/de/news_events/inno-2011/021_ino_fo_1138_1.jpg

20

http://hackadaycom.files.wordpress.com/2011/11/chopper.jpg?w=450&h=162

28

E-Volo consta de 16 motores que giran alrededor del piloto. Tiene la ventaja en las consideraciones de seguridad, que tienen un diseño actual y los estudios de ingeniería respectivos. El equipo de E-Volo quiere mejorar su prototipo y venderlo a las masas. Existen otros proyectos innovadores como el Mosquito Helicopter Concept que buscan diseñar futuros medios de transporte aéreo para ser utilizados en forma interna dentro de ciudades piloto.

Fig. 2.14 Mosquito Helicopter Concept.

2.9.

21

APLICACIONES FUTURAS

Basados en el concepto de espacio interno [70], los aerobots serán capaces de volar sobre áreas urbanas para maximizar su utilidad en la distribución de bienes y servicios. Un ejemplo significativo del tipo de servicios y funcionalidades futuras que podrían ser potencialmente cubiertas por aerobots se muestra en la Tabla 2.1. Tabla 2.1. Aplicaciones Futuras de los Aerobots Servicios Proveídos Utilidad-Entrega de pequeños paquetes

Utilidad -Entrega de consumibles (comida, agua, 21

Competencia Proveedores de Servicios Mensajero de bicicleta, cartero o automotriz (entrega en carro, camión, o motocicleta.)

Compañía de entrega automotriz o autoservicio personal.

Ventajas Relativas a otros Proveedores

Desventajas Relativas a otros Proveedores

Potencial economía de energía, así como reducción de emisiones. - Mejoramiento substancial en el servicio al cliente e términos de conveniencia, tiempos de entrega, seguridad y privacidad.

- Tópicos de seguridad publica en cuanto al direccionamiento. Alcanzar gran fiabilidad en aerobots pequeños. - Retos en cuanto al sistema de automatización usado. - Aceptación pública en un nuevo acercamiento radical a los aerobots. Cambios modestos pero necesarios en cuanto a infraestructura.

-Pequeños distribuidores o proveedores de bienes especiales pueden establecer un mercado grande basado en el uso de aerobots para cubrir

Tener que asegurar que la integridad de un producto es preservada cuando el mismo pasa por una red de proveedor consumidor, durante entregas

http://static.rcgroups.net/forums/attachments/3/5/9/6/2/3/t4380975-246-thumb-the-ultra-lightmosquito-helicopter1.jpg?d=1319919029

29

medicinas)

la demanda. - Mayor acceso a bienes y servicios destinados a ancianos, enfermos o discapacitados, principalmente a los perecibles e ítems de tiempo sensible o crítico.

Seguridad personal o de vecindario

Servicio de vigilancia de vecindario a pie, estacionario con cámaras o alarmas privadas dentro de casa

Gran movilidad de plataformas provistas para una mejorada, persistente y rápida respuesta de seguridad. - Ciertas plataformas pueden ser difíciles de detectar por intrusos o perpetradores (por ejemplo pequeñas y livianas plataformas con propulsión eléctrica y colores oscuros para vigilancia nocturna). Soporte a servicios de emergencia como inundaciones locales, deslizamiento de tierra, y vigilancia de incendios.

Respuesta a emergencia

Respuesta primordial de la policía móvil o ambulancia; y bajo circunstancias especiales respuesta con helicóptero.

Servicio al consumidor o entretenimie nto (imagen o tele presencia)

Cámaras sostenidas a mano, viajes personales a sitios de gran interés por diferentes medios de transporte.

Seguridad y Salud Pública

Inspecciones limitadas en el sitio por inspectores humanos (periódicas, randómicas o en respuesta a un incidente o queja).

En una escena de emergencia los primeros en llegar no siempre tienen el entrenamiento o las herramientas necesarias para tratar con todos los posibles escenarios. Una respuesta rápida de aerobots con herramientas robóticas y de tele presencia pueden ser llevados al campo rápidamente para subsanar la emergencia. (por ejemplo un aerobot podría llevar un desfibrilador portátil a un sitio congestionado con tráfico para salvar la vida de una víctima de ataque cardiaco) Mejorada capacidad profesional o del consumidor para obtener imágenes panorámicas o expansivas. - Potencial ayuda en el archivamiento de estudios científicos, monitoreo medioambiental, manejo medioambiental de la vida salvaje, y manejo adecuado de tierras. - Potenciales mejoras en la seguridad pública y en cuanto a la libertad de conocimiento e información. - Mejoras en el trabajo público y en el monitoreo en construcciones públicas y privadas. - Monitoreo medioambiental y

nominales o potencialmente problemáticas. - Asegurar que adecuados pasos de atenuación son tomados para disminuir la pérdida o apropiación indebida de bienes y servicios (asunto sensitivo al momento de quitar de inmediato la presencia humana durante las entregas). -La automática transferencia o transporte punto a punto de productos perecibles/consumibles puede ser difícil de alcanzar. Es necesario garantizar los derechos privados tanto del vecindario, propiedad de los residentes u ocupantes y los de un no residente o transeúnte, mientras se balancean las demandas de seguridad pública. - Se deberá desarrollar o proveer una infraestructura comunitaria para soportar los servicios de seguridad del “vecindario”. (por ejemplo una pequeña estación para el relleno de helio para pequeñas plataformas de seguridad)

- Solucione integrales y no parciales son requeridas para este tipo de aplicaciones; con un alto desempeño los diseños exitosos de vehículos aéreos serán completos solo si contienen un sistema de tele presencia o respuesta de emergencia efectiva incorporado en el sistema. - Es necesaria una gran inversión pública o privada para realizar una efectiva red estructural de los sistemas requeridos.

Preocupación con respecto a asuntos de seguridad y privacidad. - Asuntos concernientes a fuentes de ruido localizado. Potencial intrusión en las libertades individuales así como en los derechos públicos o privilegios.

- Cuestiones legales como cuando o si agencias públicas son necesarias y prudentes para hacer inspecciones usando aerobots y no sean percibidas como una amenaza para la población. - Existe una potencial incursión intencional o no intencional sobre propiedades privadas u operaciones

30

obtención de muestras. Protección privada

Seguridad móvil privada para alarmas en casas y otras medidas de seguridad.

- Dispositivos de seguridad activa/móvil como los aerobots tendrán un mayor impacto disuasivo eficaz para intrusos, con el uso de otros dispositivos alternos. - Cada ciudadano debería tener acceso a contramedidas de seguridad para cada tecnología legalmente permitida; mediante el uso de filtros que restrinjan el uso inapropiado de los aerobots y otros dispositivos intrusivos.

de negocios por parte de activistas o monitores no gubernamentales, o no legalmente establecidos. Responsabilidad de desplegar contramedidas para proteger la privacidad (por ejemplo filtros que bloqueen el uso inapropiado de cámaras robóticas). Cuestiones de si un aerobot puede impedir de alguna forma el mandato legal en agencias de vigilancia en seguridad pública.

31

CAPÍTULO 3: ESTUDIO DEL RADIOCONTROL Y LOS MOTORES BRUSHLESS En la actualidad existen en el mercado muchas compañías que fabrican radio controles; Futaba, JR Electrónica, y Airtronics están entre las más reconocidas. Un radio control puede tener una configuración mínima de 2 canales y una máxima de 14 canales. Lo más recomendable es adquirir un radio control de mínimo 5 canales para tener la posibilidad de cambiar de plataforma según los requerimientos. Por ejemplo, existen aviones que funcionan normalmente con 4 canales, pero si se necesita un aditamento o dispositivo adicional se requerirá un canal adicional para su control.

3.1.

TERMINOLOGÍA BÁSICA DE UN RADIO CONTROL

Para entender de mejor forma el funcionamiento de un radiocontrol es importante conocer ciertos términos que describen ciertas acciones y procedimientos usuales dentro del aeromodelismo. Inversión (Inversión de Servo).- Es una función que permite al usuario determinar la dirección de respuesta de cada servo. Si después de conectar las transmisiones a los servos, algún mando en el modelo responde en dirección opuesta a la requerida, el usuario puede cambiar la dirección de actuación del servo y, así, la respuesta del mando será correcta [75]. Recorrido.- Cuando se habla de una superficie de control (tal como el elevador o el alerón), recorrido es la distancia que se desplaza dicha superficie. El recorrido de las superficies de control se mide, normalmente, en el borde de salida de la superficie y se expresa en milímetros o pulgadas. El recorrido también puede referirse al desplazamiento del brazo o rueda del servo. Dual Rate (D/R).- El interruptor D/R permite cambiar, en vuelo e instantáneamente, entre dos diferentes recorridos para los mandos alerón, elevador y dirección. A menudo se requieren diferentes recorridos para distintos tipos de vuelo (se pueden requerir unos recorridos “cortos o low” para volar a altas velocidades, donde la respuesta del modelo resulta más sensible, y unos recorridos “largos o high” para

32

ejecutar maniobras acrobáticas agresivas, aterrizajes o vuelos a poca velocidad donde la respuesta del modelo es menos acusada). Final de Recorrido (E.P.A.).- Fija el límite máximo que el servo puede girar en cada dirección (sin influir en la programación de los “Dual Rates”). El servo nunca se desplaza más allá del límite fijado en el juste de Final de Recorrido. Exponencial.- Normalmente los servos responden linealmente a los movimientos enviados desde la emisora (por ejemplo, si el stick o palanca de mando se mueve a la mitad del recorrido, el servo se moverá a la mitad del recorrido). Sin embargo, con el Exponencial se puede hacer que el servo se mueva más o menos que el movimiento inicial del stick (lo normal es menos movimiento en el servo que en el stick). Los exponenciales se utilizan para suavizar o disminuir el recorrido de los servos de alerones, elevadores y dirección respecto al movimiento inicial del stick. De esta forma, pequeñas actuaciones del piloto sobre los mandos dan como resultado un movimiento menor del servo, suavizándose así el vuelo del avión. Los Dual Rates ajustan la cantidad de recorrido de los servos. Los exponenciales determinan donde tendrán el mayor recorrido. Mezcla.- Dos o más servos pueden funcionar simultáneamente uniéndose eléctricamente con cables o uniéndose electrónicamente mediante la programación de un transmisor. Cuando los servos se unen electrónicamente vía programación, se dice que están “mezclados”. A diferencia de cuando se unen eléctricamente con un cable, los servos mezclados o unidos electrónicamente pueden tener movimientos opuestos, así como programar recorridos diferentes para cada uno de ellos [75]. 3.1.1. CANAL Es la capacidad de un radio control para poder operar superficies de control como alerones, elevador, acelerador, timón de cola, etc., los cuales forman parte de un avión o helicóptero [73]. Los canales del 1 al 5 están definidos mundialmente de la misma forma, mientras los canales del 6 en adelante son definidos por la fábrica o el usuario. En la Tabla 3.1 se muestra un ejemplo de una configuración estándar de los canales.

33

Tabla 3.1. Configuración estándar de un receptor RC. NUMERO DE CANAL CANAL 1 CANAL 2 CANAL 3 CANAL 4 CANAL 5 CANAL 6 CANAL 7 CANAL 8 CANAL 9 CANAL 10

SUPEFICIE DE CONTROL

…

ALERONES ELEVADOR ACELERADOR TIMÓN DE COLA TREN RETRACTIL FLAPS SPEED BREAKS MEZCLA DE COMBUSTIBLE VÁLVULAS OTROS

3.1.2. FRECUENCIA DE TRABAJO Es la frecuencia que utiliza el radio control para enviar las señales de control del transmisor al receptor. Se ha establecido la banda de 72 a 75 MHz en los Estados Unidos y 50 MHz para Europa. Se han asignado canales a cada frecuencia para facilitar la comunicación y el manejo de las mismas. La banda de los 72 MHz comienza en los 72.010 MHz = Canal 11 y termina en los 72.990 MHz = Canal 60. La cantidad de canales disponibles entre el canal 11 y el canal 60 es de 50 canales, separados por 20 ciclos entre cada uno. Las Tablas 3.2, 3.3 y 3.4 muestran los canales asignados a cada frecuencia [73]. Tabla 3.2. Banda de frecuencias de 72 MHz. BANDA DE LOS 72 MHz CANAL

FRECUENCIA

CANAL

FRECUENCIA

CANAL

FRECUENCIA

CANAL 11

72010

CANAL 28

72350

CANAL 45

72690

CANAL 12

72030

CANAL 29

72370

CANAL 46

72710

CANAL 13

72050

CANAL 30

72390

CANAL 47

72730

CANAL 14

72070

CANAL 31

72410

CANAL 48

72750

CANAL 15

72090

CANAL 32

72430

CANAL 49

72770

CANAL 16

72110

CANAL 33

72450

CANAL 50

72790

CANAL 17

72130

CANAL 34

72470

CANAL 51

72810

CANAL 18

72150

CANAL 35

72490

CANAL 52

72830

CANAL 19

72170

CANAL 36

72510

CANAL 53

72850

CANAL 20

72190

CANAL 37

72530

CANAL 54

72870

CANAL 21

72210

CANAL 38

72550

CANAL 55

72890

CANAL 22

72230

CANAL 39

72570

CANAL 56

72910

CANAL 23

72250

CANAL 40

72590

CANAL 57

72930

CANAL 24

72270

CANAL 41

72610

CANAL 58

72950

CANAL 25

72290

CANAL 42

72630

CANAL 59

72970

CANAL 26

72310

CANAL 43

72650

CANAL 60

72990

CANAL 27

72330

CANAL 44

72670

CANAL 61

NO USADO

34

Tabla 3.3. Banda de frecuencias de 75 MHz. BANDA DE LOS 75 MHz CANAL

FRECUENCIA

CANAL

FRECUENCIA

CANAL

FRECUENCIA

CANAL 61

75410

CANAL 71

75610

CANAL 81

75810

CANAL 62

75430

CANAL 72

75630

CANAL 82

75830

CANAL 63

75450

CANAL 73

75650

CANAL 83

75850

CANAL 64

75470

CANAL 74

75670

CANAL 84

75870

CANAL 65

75490

CANAL 75

75690

CANAL 85

75890

CANAL 66

75510

CANAL 76

75710

CANAL 86

75910

CANAL 67

75530

CANAL 77

75730

CANAL 87

75930

CANAL 68

75550

CANAL 78

75750

CANAL 88

75950

CANAL 69

75570

CANAL 79

75770

CANAL 89

75970

CANAL 70

75590

CANAL 80

75790

CANAL 90

75990

Tabla 3.4. Banda de frecuencias de 50 MHz. BANDA DE LOS 50 MHz CANAL

FRECUENCIA

CANAL

FRECUENCIA

CANAL

FRECUENCIA

CANAL 00

50800

CANAL 04

50880

CANAL 08

50960

CANAL 01

50820

CANAL 05

50900

CANAL 09

50980

CANAL 02

50840

CANAL 06

50920

CANAL 10

NO USADO

CANAL 03

50860

CANAL 07

50940

CANAL 11

NO USADO

3.1.3. EQUIPOS DE RADIO DE 2,4 GHz. Este tipo de tecnología evita todo tipo de interferencias. Las emisoras de 2,4GHz no necesitan la asignación de un canal a la emisora y al receptor. Esta tecnología permite evitar interferencias si otro piloto ocupa el mismo canal que se esté usando, como lo que ocurre con las emisoras de FM. También se evitan las interferencias causadas por los canales adyacentes (otros pilotos pueden usar emisoras que emitan en un canal con suficiente desviación como para interferir en el actual).Los equipos de radio de 2,4 GHz utilizan tecnología DSS (Distribución Dinámica de Espectro). DSS es una tecnología en la que no se transmite en una única frecuencia sino que emplea varias frecuencias de forma alternada [90]. Tecnología DSS Existen dos formas de llevar a cabo la tecnología DSS: DSSS (Espectro Ensanchado por Secuencia Directa): Tanto DSSS como FHSS están definidos por la IEEE en el estándar 802.11 para redes de área local inalámbricas WLAN. En esta modalidad la señal se mezcla con el ruido empleando un algoritmo matemático. Solo el receptor que conoce dicho algoritmo será capaz

35

de interpretar dicha señal. Para el resto de receptores solo será ruido. La frecuencia de emisión se va alternando pero en cada frecuencia se transmite por completo la información a transmitir. FHSS (Espectro ensanchado por salto de frecuencia): La tecnología de espectro ensanchado por salto en frecuencia consiste en transmitir una parte de la información en una determinada frecuencia durante un intervalo de tiempo muy breve para continuar transmitiendo dicha información en otra frecuencia. De esta forma cada tramo de información se va transmitiendo en una frecuencia distinta durante un intervalo muy corto de tiempo. El orden de salto en frecuencia debe ser conocido tanto por la emisora como por el receptor.

Fig. 3.1 Receptor Futaba R606FS-2.4GHz.

22

Las señales DSS son casi indetectables por otro equipo de radio debido a que se confunden con el ruido. Para la transmisión es necesario un espectro amplio, por lo que la utilización de 50 MHz, 70 MHz, o 75 MHz no es aplicable debido a que el ancho de banda disponible es muy pequeño. Para ello se ha desplazado a frecuencias más altas como la frecuencia de 2,4 GHz. Esta frecuencia es libre y gratuita debido a que resulta ineficiente para otras aplicaciones porque coincide con la frecuencia de resonancia del agua, por lo que la señal se atenúa enormemente en el aire que siempre tiene humedad. A pesar de esta desventaja, la señal aún atenuada es suficiente para pilotar un avión que se va a encontrar a 300 o 500 metros de altura. El problema que existe es que al ser libre puede ser utilizada por otros aparatos electrónicos que no utilicen DSS e invadan gran parte de los canales con mucho ruido. Si hay varios pilotos volando con FPV (vista en primera persona) y alguna casa con un repetidor de video inalámbrico se podría ocupar todo el espectro dejando inoperativo el equipo de radio. 22

http://www.ckado.com/images//products_big/bg_FU-6EX606FS-241.jpg

36

3.1.4. MODULACIONES Las modulaciones pueden definirse como la técnica utilizada para mantener el control simultaneo de varios servomecanismos. En un sistema dirigido por radiocontrol se establece una comunicación con cada uno de los servos incorporados en el dispositivo. Utilizando una sola frecuencia de transmisión, se puede enviar información a todo el conjunto de servomecanismos instalados en el dispositivo. El método usado se basa en acoplar sobre una sola línea de transmisión todas las señales correspondientes al control de cada servo; transmitiendo diferentes anchuras de pulsos consecutivamente. Este principio se muestra en la Figura 3.2.

T: Periodo de la señal RC (aprox. 20ms) t: Señal de control de cada servo (1-2ms) ts: Margen de seguridad entreservos (100us) Fig. 3.2 Ejemplo de pulso de modulación.

23

A través de una única señal del control es posible establecer diferentes posiciones del servomecanismo, así como también producir distintas secuencias de puntos o movimientos. La gran mayoría de los servomecanismos responden a anchuras de pulsos dentro del intervalo [1ms, 2ms], enviados periódicamente cada 20ms aproximadamente. 3.1.4.1. TIPO DE MODULACIÓN Una de las características principales de un equipo de radio control es la forma en la que emite, es decir, como codifica la información a enviar en la señal que emite. Se puede distinguir los siguientes tipos [74]:

23

http://www.microbotica.es/h1/lib/exe/fetch.php?w=&h=&cache=cache&media=eh1:servos.gif

37

Amplitud Modulada (AM): La modulación en amplitud modulada es un tipo de modulación lineal en la que se hace variar la amplitud de la onda portadora. Los cambios en la onda portadora se ajustan con las variaciones de nivel de la señal moduladora que es la que contiene la información a transmitir. La ventaja de AM es que su demodulación es muy simple con lo que los receptores son muy sencillos y baratos. Este método de transmitir es muy poco fiable y su uso queda relegado al automodelismo y al modelismo naval. Frecuencia Modulada (FM): La modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia. La emisión se realiza en banda estrecha con lo que los equipos de FM son menos sensibles a las interferencias. Este método se emplea en aeromodelismo pero se debe diferenciar entre dos tipos de modulación para FM:

·

Modulación por Posición de Pulsos (PPM)

·

Modulación por Impulsos Codificados (PCM)

Para definir completamente la forma de la señal de control, queda determinar la amplitud de la misma, cuyo valor es dependiente del tipo de modulación utilizada para el control PPM o PCM. Modulación por Posición de Pulsos (PPM) El mecanismo Pulse-Position-Modulation, tiene un nombre más conocido pero menos exacto, PWM (modulación por anchura de pulsos), y debido a su antigüedad es el más estandarizado. Los valores de amplitud de la señal están asociados a las baterías del emisor y receptor, con lo que simplemente debe existir una sincronía entre ambos sistemas de radiofrecuencia. En el mercado existen diferentes fabricantes de emisores y receptores, por lo que los valores pueden cambiar levemente. Sin embargo, se puede decir que existen rangos comúnmente aceptados mundialmente. La modulación PPM, con una fuerte base analógica, define que cada uno de los valores de los canales debe enviarse como una anchura de pulso. Es decir, que simplemente se extiende el comportamiento de los servomecanismos a todos los receptores (incluido el gas o potencia del motor).

38

En la Figura 3.3 se representa una señal de control de 4 canales:

T: Periodo de la señal RC (aprox. 20ms) t: Señal de control de cada servo (1-2ms) ts: Margen de seguridad entre servos (100us) Fig. 3.3 Señal de control de 4 canales.

24

Como se observa en la Figura 3.3, se han concatenado los controles de cada uno de los canales utilizando el hueco generado por el periodo T de 20ms. El diseño de los servomecanismos tiene su base en la modulación PPM y en los sistemas de radiocontrol para los que fueron desarrollados inicialmente. Naturalmente, en un equipo como un helicóptero no todos los canales estarán directamente ligados a servomecanismos, sino que cada canal controlará una acción, bien puede ser un movimiento de servo o directamente aumentar la potencia de un rotor. Modulación por Impulsos Codificados (PCM) La Modulación por Impulsos Codificados o Pulse-Code-Modulation, es un procedimiento de modulación utilizado para transformar una señal analógica en una secuencia de bits. Con esta modulación la comunicación entre emisora y receptor está más libre de interferencias por ser digital. Tanto la emisora como el receptor están provistos de microprocesadores, son pues equipos de radio de media-alta gama.

24

http://www.microbotica.es/h1/lib/exe/fetch.php?w=&h=&cache=cache&media=eh1:servos2.gif

39

En las transmisiones se envía siempre un código de comprobación para descartar posibles interferencias. Es por esto que no hay compatibilidad entre distintas marcas, ya que cada una emplea su código propio. Muchos receptores de este tipo disponen de “failsafe mode” que entrará en juego si otro piloto comienza a utilizar el canal que se está usando, evitando que el avión se vuelva incontrolable. El modo de failsafe deja el avión con la trayectoria actual hasta que ese otro piloto apague su emisora o cambie de canal, aun así hay que reaccionar muy pronto o se puede perder el avión. El mecanismo Pulse-Code-Modulation realiza una conversión analógico-digital de la PPM, de tal manera que cada uno de los valores de los canales se envía en formato digital. En esta codificación, cada canal será un espacio que contendrá un conjunto de pulsos y no pulsos que codificarán un determinado valor. Cada pulso digital tendrá una anchura fija definida (en torno a los 150µs) y la resolución de trabajo suele establecerse en 10 bits (2 10=1024) lo que ofrece una calidad de señal más que suficiente en la inmensa mayoría de los casos. En el siguiente diagrama se puede apreciar una codificación PCM de tres canales con una resolución r de 16 bits.

T: Periodo de la señal RC (aprox. 20ms)

q: Periodo por bit (150us)

t: Señal de control de cada canal (q*r)

r: Resolución (16 bits)

ts: Margen de seguridad entre canales Fig. 3.4 Señal de control de 4 canales.

25

25

http://www.microbotica.es/h1/lib/exe/fetch.php?w=&h=&cache=cache&media=eh1:servos3.gif

40

Como se observa en la Figura 3.4 los valores transmitidos para cada canal son los mostrados en la Tabla 3.5. Tabla3.5 Valores transmitidos para cada canal.

Canal1 Canal2 Canal3 Binario 1011010100010000 0000101011111111 1101000000000000 Hexadecimal B510 0AFF D000 Decimal 46352 2815 53248 Potencia (%) 70.72 4.29 81.25

Las ventajas que se desprenden son claras en cuanto al análisis digital de la señal, siendo importante destacar al menos dos. ·

CRC (Cyclic-Redundancy-Check): Garantiza que sólo los valores correctamente transmitidos son ejecutados por los servomecanismos, evitando de esta manera que el posible ruido de la transmisión perturbe el sistema de control.

·

Failsafe: Se trata de la posibilidad de definir estados seguros o lo que es lo mismo, posiciones fijas de los servos que deben tomarse en caso de pérdida prolongada de la transmisión, batería baja, etc.

Los sistemas PCM son más costosos que los PPM debido a que deben procesar la información digital, por lo que el costo de emisores y receptores es alto.

3.2.

EQUIPO FUTABA 6EX-2.4GHZ

El funcionamiento del equipo de transmisión y recepción de señales de control remoto se basa en la radiofrecuencia. Para un correcto funcionamiento del sistema de radiocontrol se debe encender siempre, primero el transmisor y luego el receptor. Cuando se apaga el equipo, siempre se debe apagar primero el receptor. El objetivo es no tener nunca encendido únicamente el receptor, debido a que los servos o superficies de control podrían dañarse o incluso los motores podrían activarse inesperadamente causando graves heridas y daños.

3.2.1. TRANSMISOR El transmisor Futaba 6EX-2.4GHzmostardo en la Figura 3.5, es un transmisor que puede funcionar en dos modos: modo Avión (ACRO) y modo Helicóptero (HELI) [75].

41

Modo ACRO.- La programación incluye las funciones Inversión de Servos y Finales de Recorrido para todos los canales, Dual Rates, Exponenciales y Mezclas libres. Además, se puede activar una cualquiera de las cuatro mezclas del avión pre programadas entre las que se encuentran “Flaperon”, cola en “V” y “Elevón”. Modo HELI.- En los interruptores laterales actúan los Dual Rates, la Presentación, el Bloqueo de Motor y el ajuste de la sensibilidad o ganancia del giroscopio. La programación incluye las funciones de Inversión de Servos y Finales de Recorrido para todos los canales, Dual Rates, Exponenciales, Curva Normal de Motor, Curva Normal de Paso, Bloqueo de Motor y Mezcla Paso-Rotor de Cola. Mandos del Transmisor: La Figura 3.5 y las siguientes explicaciones describen brevemente las funciones de la emisora Futaba 6EX-2.4GHz [75].

Fig. 3.5 Radio Futaba 6EX-2.4GHz.

26

Instruction Manual for Futaba 6EX-2.4GHz, page 5.

26

42

Descripción: Interruptor Dual Rate de alerones, profundidad y dirección.- Este interruptor se usa para alternar entre los dos recorridos definibles de alerones, profundidad y dirección. Se puede configurar los recorridos, aunque cuando la palanca del interruptor esta “arriba” el recorrido es mayor (porcentaje alto) y cuando el interruptor está “abajo” el recorrido es menor (porcentaje bajo). También se lo utiliza para alternar entre porcentajes de exponencial, si es programado. A: Interruptor de los Flaps/Canal 6.- Este interruptor acciona el servo conectado al canal 6 en el receptor. H: Interruptor Bloqueo de Motor.- Este interruptor, al accionarse, mantiene el motor a ralentí indiferente de la posición del stick de aceleración o paso. Stick de mando de alerones / profundidad.- Acciona los servos conectados a las salidas del canal 1 (alerones) y canal 2 (profundidad) del receptor. Trims.- Usados para ajustar el neutro o posición central de cada servo según se asignan en el gráfico. Cada vez que se accione un trim, su posición se mostrará en la pantalla LCD. El trim del motor está destinado al ajuste del servo correspondiente para la posición de ralentí. Este interruptor permite afinar las revoluciones ralentí sin afectar a los ajustes previstos para el resto de movimiento del stick. Existen cuatro trims en el transmisor. Tres de ellos sirven para ajustar la posición neutral de los servos que controlan el alerón, elevador y timón. El cuarto trim sirve para setear el punto muerto de las rpm de los motores cuando el stick de aceleración está en la posición más baja. El uso de los trims está dado en el vuelo para hacer de este lo más recto y nivelado posible. Interruptor principal.- Interruptor de encendido y apagado de la emisora. Pantalla de Introducción de Datos (Data Input).- Usada para cambiar los valores de las funciones mostradas en la pantalla LCD. Pantalla de cristal líquido (LCD).- Usada para mostrar los menús de programación y los valores introducidos.

43

Tecla MODE.- Usada para pasar de una a otra entre las once / catorce funciones programables disponibles, dependiendo del modo ACRO o HELI. Tecla SELECT.- Usada para mostrar los valores de la función elegida. Stick de mando motor / dirección.- Acciona los servos conectados a las salidas canal 3 (motor) y canal 4 (dirección) del receptor. A: Interruptor de Enseñanza.- Acciona la función de entrenamiento o enseñanza. H: Interruptor de Pre aceleración.- Al accionar este interruptor se alternan las condiciones de vuelo programadas para las curvas del motor y de paso para afrontar, normalmente, maniobras acrobáticas. A: Interruptor del Tren Retráctil / Canal 5.- Acciona el servo conectado al canal 5 en el receptor –si el modelo contiene un tren retráctil. H: Interruptor del Giroscopio /Canal 5.- Se puede enchufar el conector de sensibilidad del giroscopio al canal 5 del receptor y alternar entre dos diferentes sensibilidades accionando este interruptor. Antena.- Emite las señales de control al receptor. 3.2.2. RECEPTOR El receptor FutabaR606FS 2.4 GHz mostrado en la Figura 3.6 es el elemento que recibe información del transmisor a través de un medio dado. Prácticamente realiza el proceso inverso a lo que le hizo el transmisor a la señal. El transmisor es un modulador de señal mientras que el receptor es un demodulador de señal.

Fig. 3.6 ReceptorFutabaR606FS-2.4GHz.

27

Instruction Manual for Futaba 6EX-2.4GHz, page 8.

27

44

La señal ingresa al receptor por la antena, con la información para los servos, pero de la forma como está la información no puede ser utilizada porque la frecuencia es muy elevada para usarse directamente. El receptor, por tanto, se encarga de obtener la misma forma de onda que se tenía en un principio en el modulador de R/C en el equipo transmisor [75]. Un receptor debe cumplir con ciertos requisitos: Debe tener sensibilidad para detectar la señal aun cuando el receptor se

·

encuentra alejado del transmisor, pero no mucha para evitar que sea afectado por los ruidos electromagnéticos. Debe tener selectividad para poder discriminar entre la señal correcta y el

·

ruido, esta característica es muy fácil de lograr, ya que siempre se usan cristales de cuarzo en el circuito acompañado de filtros, brindando además de selectividad, un muy buen rechazo al ruido. Debe ser estable en frecuencia. Esto también se logra gracias al uso de

·

cristales de cuarzo, ya que estos son extremadamente estables. Debe tratar de no inyectar ruido por sí mismo a la señal, es decir, debe tratar

·

a la señal de R/C de tal manera que la señal sea limpia en todo momento asegurando que el control no vaya a perder en ningún momento su función. El receptor Futaba R617FS es un receptor de 7 canales. Posee dos antenas, las cuales cumplen la función de disminuir posibles errores de recepción de señal. Debido a que la longitud de onda de 2.4GHz es mucho más pequeña que las convencionales de 27MHz y 72MHz, es muy susceptible a pérdida de señal lo cual resulta en un error de recepción. Para evitar este problema, el R617FS adoptó un sistema de antena diverso. Para obtener los mejores resultados de la función de diversidad del R617FS, se debe seguir los siguientes pasos: ·

Las dos antenas deben mantenerse tan rectas como sea posible, delo contrario se reduce el rango efectivo.

·

Las dos antenas deben ser colocadas a 90 grados la una de la otra. Este no es un parámetro crítico pero es aconsejable mantener las antenas lo más separadas posible.

45

·

Las antenas deben mantenerse lejos de cualquier material conductivo como metal y carbón por lo menos a 1.5 cm.

·

Se debe mantener las antenas lejos de los motores, ESC, y cualquier otra fuente de ruido.

Especificaciones: ·

Diversidad de antena dual.

·

Requerimiento de energía: Batería de 4.8V o 6.0V, o salida regulada de ESC.

·

Tamaño: 41.6x27.5x9.2mm

·

Peso: 0.34 oz o 9.8 g

El sistema que utiliza el receptor es un sistema FASST, el cual maneja una estrategia para evitar interferencias, basada en cambiar varias veces por segundo de canal con una determinada pauta. El poco tiempo que se utiliza el canal hace que el sistema sea eficaz al momento de eludir las interferencias. Adicionalmente, cada emisor tiene un código único que envía al receptor, el cual se vuelve “sordo” a otros envíos cuyo código no se corresponde con el de su emisora. También el receptor es susceptible de ser programado, memorizando el código de su emisora, lo cual aumenta la seguridad ante las interferencias, sin importar que otra emisora se registre posteriormente en la banda de frecuencia; el receptor simplemente se limita a ignorarla. Dos emisoras no pueden tener el mismo código de identificación ya que debido a que el número de combinaciones posibles es de 130 millones.

3.3.

MOTORES BRUSHLESS

Un motor brushless es un motor sin escobillas, haciendo referencia a un motor DC normal, el cual contiene un conmutador y escobillas que hacen contacto en el colector del motor DC común. El motor brushless carece de colector y escobillas o carbones. El motor brushless en vez de funcionar en DC funciona en AC. La mayoría de motores se alimentan con una señal trifásica, la cual idealmente debería ser sinusoidal, pero en la práctica son pulsos continuos o una señal continua con mucho componente AC. Se los clasifica como DC porque al igual que los motores comunes tienen imanes permanentes [79].

46

Estos imanes son atraídos por la polaridad de un campo magnético generado por las bobinas, las cuales reciben los pulsos en un patrón específico. Par acelerar al motor simplemente el campo magnético secuencial debe girar a mayor velocidad, o lo que es lo mismo aumentar la frecuencia de los pulsos. La gran ventaja de los motores brushless frente a los demás motores es que no requieren de un mantenimiento periódico. Adicionalmente, al compararlo con un motor DC común, al aumentar la tensión en los terminales del mismo, el resultado es aumentar la velocidad pero al mismo tiempo el consumo de corriente. En un motor brushless la corriente y la velocidad son en cierto punto independientes. Es el circuito regulador de velocidad el que se encarga de suministrar solo la corriente necesaria para una determinada RPM. Si se alimenta con un valor mayor al de la corriente que necesita el motor, girará a una determinada velocidad, y se desperdicia la capacidad de la batería en esa corriente extra no utilizada. Si por el contrario se alimenta con poca corriente, el pulso de EMF será mayor al pulso de alimentación y por consiguiente el motor eventualmente se detendrá. 3.3.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES BRUSHLESS ·

Los motores brushless destacan por sus excelentes características de torque, altas prestaciones, rango de velocidades muy amplio y su insuperable duración en servicio.

·

Requieren una electrónica externa o integrada para realizar la conmutación.

·

Giro suave, sin par de retención.

·

Buena disipación de calor, alta capacidad de sobrecarga.

·

Tiene una prolongada vida útil, limitada únicamente por los rodamientos, mínimo 20000 horas a carga máxima.

·

Mantienen altas velocidades incluso a voltajes bajos, fácilmente pueden alcanzar 50000 rpm y 100000 rpm en algunos casos.

·

Tienen una buena disipación de calor, y alta capacidad de sobrecarga.

·

La velocidad vs torque es lineal en un rango muy amplio, lo cual permite una excelente regulación.

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·

Tienen una eficiencia muy alta del 90%. Aprovechan la energía eléctrica, convirtiéndola en potencia mecánica y generando menos calor.

·

Tienen una muy baja constante eléctrica de tiempo y reducida inductancia, por lo que casi no existe interferencias eléctricas o ruido eléctrico.

·

Campos de aplicación: entornos explosivos (sin chispas), salas limpias (sin desgaste) y cualquier otra aplicación que requiera velocidades de giro elevadas y larga vida en servicio [81].

En la Tabla 3.6 se presenta una comparación entre los dos tipos de motores DC. Tabla 3.6. Motor DC Convencional vs Motor Brushless. Estructura mecánica Principales características Conexión de bobinados Método de conmutación Método para detectar la posición del rotor. Método de reversa

Motor DC convencional Elementos magnéticos en el estator. Respuesta rápida y excelente controlabilidad. Conexión ∆. Contacto mecánico entre las escobillas y el conmutador. Detectada automáticamente por las escobillas. Cambiando la polaridad del voltaje.

Motor DC sin escobillas Elementos magnéticos en el rotor. Fácil mantenimiento. Conexión ∆ o Y Conmutación electrónica por medio de transistores. Sensor de efecto Hall, encoder óptico, etc. Cambiando la secuencia lógica.

Los motores brushless tienen muchas ventajas sobre los motores brushed (con escobillas) entre las más destacables están: ·

Mayor eficiencia (menos perdida por calor)

·

Mayor rendimiento (mayor duración de las baterías para la misma potencia)

·

Menor peso para la misma potencia

·

Conmutación electrónica basada en sensores de posición de efecto Hall

·

Requieren menos mantenimiento al no tener escobillas

·

Relación velocidad/par motor es casi una constante

·

Mayor potencia para el mismo tamaño

·

Mejor disipación de calor

·

Rango de velocidad elevado al no tener limitación mecánica.

·

Menor ruido electrónico (menos interferencias en otros circuitos)

3.3.2. PARTES CONSTITUTIVAS La construcción de motores DC sin escobillas es muy similar a la de los motores AC. Consta de un rotor, el cual es un elemento magnético permanente, y un estator que ésta conformado por embobinados al igual que en un motor AC de varias

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fases. La diferencia principal con un motor AC está dada en la forma de detectar la posición del rotor, para poder saber cómo se encuentran los polos magnéticos y así generar la señal de control mediante switches electrónicos. Las partes principales de un motor brushless son dos: un rotor magnético permanente y los bobinados, como los mostrados en la Figura 3.7.

Fig. 3.7 Partes principales de un motor brushless outrunner.

28

Un parámetro muy importante proporcionado por los fabricantes es el Kv (revoluciones por minuto y por voltio). Para una potencia dada, un alto Kv proporciona más revoluciones que un bajo Kv. Un alto Kv está indicado para aviones rápidos con una hélice pequeña, mientras que un bajo Kv es adecuado para un motovelero que lleva una hélice más grande. El Kv de un motor brushless es el cociente de los rpm del motor sin carga para el voltaje pico en los cables conectados a las bobinas [80].

3.3.3. TIPOS DE MOTORES BRUSHLESS Existen dos tipos de motores sin escobillas: Inrunners y Outrunners [89]. INRUNNERS Los imanes se encuentran ubicados en torno al eje, mientras que el bobinado es exterior y rodea al eje con los imanes. Este tipo de motores tiene la ventaja de proporcionar un alto número de revoluciones por lo que su Kv es muy alto, sin embargo, la desventaja está en el bajo torque que genera por lo que no soporta el uso de hélices muy grandes. 28

http://www.e-radiocontrol.com.ar/images/brushlessSSC4_BM-4-CDROM_Motor_005.JPG

49

OUTRUNNERS En este tipo de motores, los bobinados se distribuyen en la parte interior central mientras que los imanes están ubicados en una campana exterior que rodea al bobinado, a la cual está conectado el eje. Cuando la campana gira también lo hace el eje. Este tipo de motores producen un menor número de revoluciones, pero debido a que la campana actúa como un volante de inercia, el torque es mayor por lo que la potencia es mayor. Esto los hace ser más ligeros, silenciosos y económicos. La Figura 3.7 anterior muestra un ejemplo de este tipo de motor [87].

También hay 2 configuraciones eléctricas en cuanto a cómo los cables de las bobinas están conectados entre sí. La configuración delta conecta las bobinas entre sí formando un triángulo, y la energía es aplicada a cada conexión. La conexión Y, a veces llamada starwinding, conecta todas las bobinas al punto central y es energizado al otro extremo de cada bobina. Un motor con bobinas en configuración delta da un bajo torque a bajas rpms, pero puede dar altas rpms. La configuración Y da un torque alto a bajas rpms, pero no alcanza una alta velocidad. Las Figuras 3.8 y 3.9 ejemplifican los dos tipos de bobinados.

Fig. 3.8 Bobinados en delta y en estrella para un motor brushless.

29

http://aeroquad.com/attachment.php?attachmentid=4070&d=1314113659&stc=1

29

50

Fig. 3.9 Bobinados en delta y en estrella para un mayor número de polos.

3.4.

30

CONTROLADORES ELECTRÓNICOS DE VELOCIDAD (ESC)

Los controladores de velocidad (Electric Speed Controller ESC) son los elementos que permiten controlar el motor. En el caso del radiocontrol, lo que hacen es medir el tiempo de 1ms a 2ms como un servo estándar y transformarlo en un máximo y mínimo de rpms para el motor. Estos dispositivos tienen básicamente dos formas de operación. Un ESC puede ser seteado a una cantidad específica de revoluciones, la cual consumirá una cantidad específica de corriente. Si la carga incrementa, el ESC entrega mayor corriente para mantener la misma cantidad de rpms. El controlador de velocidad controla la forma del pulso de fuerza contraelectromotriz (EMF) y ajusta la corriente de salida. La otra forma de operación, la cual es más común, consiste en que el ESC inyecta cierto valor de corriente y mide la velocidad del motor midiendo la fuerza contra-electromotriz; de este modo la salida de corriente es autoajustada. Los controladores de velocidad proveen una 30

http://aeroquad.com/attachment.php?attachmentid=4071&d=1314113681&stc=1

51

fuente

de

energía

de

bajo

voltaje

con

pulsos

trifásicos

sinusoidales

electrónicamente generados para el control del motor, como la mostrada en la Figura 3.10.

Fig. 3.10. Onda sinusoidal de una fase a la salida del ESC.

31

La fase correcta varía con la rotación del motor. Los ESC programables permiten al usuario elegir ciertos parámetros como el valor del voltaje de corte (cut-off voltaje limits), el cual permite escoger un valor del voltaje suministrado por la batería donde los controladores dejan de incrementar la velocidad y obligan a disminuirla como medida de seguridad. También se setean valores de rampas

de aceleración,

frenado, y dirección de movimiento. Revertir el sentido de giro también se lo puede realizar mediante el cambio de dos fases de las tres líneas con las que el motor esta energizado. Debido a que el controlador debe dirigir la rotación del rotor, el control requiere algún medio para detectar la posición u orientación del rotor. Algunos diseños usan sensores de efecto Hall o encoders para directamente medir la posición del motor [82]. Por otro lado, existen otros ESCs que miden en los alambres sin driver para inferir la posición del rotor, eliminando la necesidad de un sensor de efecto hall separado, por esa razón son llamados controles sin sensores. Como un motor AC, el voltaje en los cables sin driver es sinusoidal, pero sobre una entera conmutación 31

Imagen tomada con osciloscopio y ESC en pruebas propias.

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la salida parece ser trapezoidal debido a la salida DC del controlador. El controlador contiene 3 salidas bidireccionales para manejar la alta corriente DC de alimentación, la cual es controlada por un circuito lógico. La Figura 3.11 muestra las partes de un controlador de velocidad.

Fig. 3.11 Partes constitutivas de un ESC.

32

El controlador mide la posición del motor basado en medir la fuerza contraelectromotriz de retorno (back-EMF), el cual tiene un reto extra en el movimiento inicial debido a que ningún back-EMF es producido cuando el motor está estacionario. Esto es usualmente logrado por el inicio de la rotación desde una fase arbitraria, y entonces salta para corregir la fase si es encontrada como incorrecta. Esto puede causar que el motor vaya de regreso brevemente, añadiendo incluso más complejidad a la secuencia de inicio. Otros controladores sin sensores son capaces de medir la saturación de la bobina causada por la posición de los imanes para inferir la posición. La Figura 3.12 muestra un ejemplo de señales de sensores de efecto hall con respecto a back EMF y la fase de corriente. También muestra la secuencia de switcheo que debería ser seguido con respecto a sensores de efecto Hall. Cada 60 grados eléctricos de rotación, uno de los sensores de efecto hall cambia de estado. Dado esto, toma 6 pasos completar un ciclo eléctrico. En sincronismo, con cada 60 grados eléctricos, el switch de fase de corriente debe ser actualizado. Sin embargo, un ciclo eléctrico puede no corresponder a una revolución mecánica del rotor. Una rotación mecánica es determinada por el número de polos. Para cada par de polos

32

http://www.neoteo.com/images/Cache/DDD8x900y900.jpg

53

del rotor, un ciclo eléctrico es completado; por lo que el número de ciclos/rotaciones eléctricas es igual al número de polos.

Fig. 3.12 Secuencia de conmutación en un motor brushless.

33

De acuerdo con T.J.E Miller34, existen dos formas de controlar un motor brushless, una con una onda trapezoidal y la otra, con una onda senoidal como la mostrada en la Figura 3.10. Aunque el principio básico de funcionamiento es totalmente igual, la

33

http://www.micropic.es/mpblog/wp-content/uploads/2009/01/brushless_disposicion_bobinas.jpg T.J.E., Miller, Speed´s Electric Motors, University of Glasgow, 2002

34

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diferencia más destacable está en la forma de alimentar los devanados del estator. En el motor brushless trapezoidal cada una de las fases se alimenta con pulsos rectangulares de tensión con un desfase entre cada una de las fases de 120 grados. En el motor brushless senoidal, en cambio, se alimenta con tensión alterna trifásica. Esta diferencia es a nivel de uso, a nivel de construcción el motor brushless senoidal se diferencia del trapezoidal por lo siguiente: ·

El flujo del entrehierro es senoidal y está generado por los imanes del rotor que tienen una forma especial.

·

Los devanados tienen una distribución senoidal, mientras que en el trapezoidal los devanados están concentrados.

3.4.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS ESCs PROGRAMABLES Freno: El freno fuerza al motor a dejar de girar una vez el controlador de velocidad deja de enviar energía. Los motores se convierten en generadores cuando están siendo impulsados por su eje de salida. Mientras más carga se ponga en el generador es más difícil girar. El controlador de velocidad simplemente coloca una resistencia a través de los terminales del motor. Generalmente esto es suficiente para pararlo completamente. Si una hélice plegable está siendo utilizada esto hará que se despliegue. Arranque suave: Este término describe ambos controles de velocidad y una especie de switch on/off de un solo motor. En ambos casos, esto indica que el control irá del reposo a aceleración total lentamente en vez de instantáneamente. Esto es muy importante si se está usando una caja de engranajes o hélices plegables, debido a que un arranque instantáneo puede pelar el diente del engranaje, o pasadores de corte de hélice. Digital o microprocesador: Hasta hace muy poco tiempo, la mayoría de los controladores de velocidad eran analógicos, significando que trabajan con voltajes y anchos de pulso, y tenían un circuito dedicado que realizaba cada una de las otras funciones. La mayoría de los controladores modernos son digitales. Estos controladores

usan

microprocesadores

para

medir

los

pulsos

entrantes

provenientes del radio control, y para generar los pulsos que van hacia los

55

MOSFETs. El diseño digital tiene la ventaja de ser libremente ajustable, y de ser capaz de poseer características especiales de seguridad. Por ejemplo, la mayoría de controladores digitales no se encenderán a menos que el stick del control remoto esté totalmente apagado al comienzo. Battery Eliminator Circuit (BEC): En aviones pequeños, es ventajoso eliminar el peso de la batería del receptor. Varios controladores de velocidad tienen la característica BEC que provee la energía al receptor y a los servos desde la batería para el motor. Todavía hay un gran debate sobre si esto es seguro, sobre todo debido al peligro del ingreso de ruido eléctrico en el receptor, causando disminución del alcance del radio control. El otro peligro es que la batería del motor pueda agotarse a tal punto que el BEC no pueda suministrar energía al receptor. El BEC es muy popular entre la multitud de Electric Pylon Racing, donde los aeroplanos no llegan muy lejos, y aterrizan inmediatamente después de la prueba. Cutt-off automático: Esta característica es generalmente usada con un BEC, donde el motor se apagará antes que la batería se termine, esto reserva energía para que el receptor continúe funcionando. Aislamiento óptico: Para reducir la posibilidad de que el control de velocidad interfiriera con el receptor de radio, algunos controles utilizar un chip de optoaislador. Se trata básicamente de un LED (diodo emisor de luz) y fototransistor con revestimiento de plástico. La señal del receptor conduce el LED, que ópticamente transfiere la señal al resto del control de velocidad. No hay conexión eléctrica entre el receptor y la parte principal del control de velocidad. Obviamente, esto elimina la posibilidad de proporcionar un BEC [83].

3.5.

BATERÍAS

La alimentación de un multicóptero es uno de los principales problemas, y la utilización de almacenadores es una de las soluciones. Existen dos clases de almacenadores: uno el tipo que cuando se agota no puede volverse a recargar, excepto renovando las sustancias químicas que lo componen; y un segundo tipo, susceptibles a recargase usando corriente continua.

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Para proporcionar una rápida aceleración y duración, las baterías de cualquier sistema autónomo tienen que proporcionar una gran potencia y energía. Además, deben ser de bajo precio, fáciles de mantener, seguras bajo condiciones de funcionamiento externo y tolerantes a los abusos a los que los vehículos aéreos están expuestos (aire libre, caídas, etc.). La capacidad de una batería es la cantidad total de carga producida en la reacción electroquímica y se define en unidades de coulombs (C) o amperios-hora (Ah), que es la más usada como especificación de las baterías. Los parámetros a considerar de una batería son los siguientes:

·

La tensión de salida, medida en voltios.

·

La capacidad eléctrica, se mide por referencia a los tiempos de carga o de descarga en amperios-hora (Ah). En las baterías se utiliza un múltiplo, el miliamperio-hora (mAh). Este parámetro es muy importante y se debe considerar al momento de comprar una batería pues cuanto mayor sea, más tiempo tardará en descargarse por el uso. El precio está en relación directa con este parámetro.

3.5.1. TIPOS DE BATERÍAS 3.5.1.1.

BATERÍAS LIPO

Lithium-ion polymer batteries, polymer lithium ion, o comúnmente lithium polymer batteries (abreviado Li-poly, Li-Pol, LiPo, LIP, PLI oLiP) son baterías recargables. Las baterías LiPo están usualmente compuestas de celdas idénticas secundarias en paralelo para incrementar la corriente de descarga, y son usualmente disponibles en paquetes para incrementar el voltaje total disponible [103]. Las celdas vendidas hoy en día como baterías de polímero son una cartuchera de celdas. El voltaje de las celdas Li-poly varían desde 2.7 V (descargadas) a 4.23 V (totalmente cargadas), y las celdas tienen que ser protegidas de sobrecargas limitando el voltaje aplicado para que no sobrepase los 4.23 voltios por celda usada en una serie de combinaciones. Siendo una tecnología reciente, este tipo de baterías tenía problemas con la resistencia interna. Otros retos fueron largos tiempos de carga y tasas lentas de

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máxima descarga comparados con tecnologías más maduras en el mercado. Recientes innovaciones en el diseño han incrementado la máxima corriente de descarga de 2 veces a 65 o incluso 90 veces la capacidad de carga de la batería por hora. Aplicaciones: Una ventaja convincente de las baterías LiPo es que los fabricantes pueden moldear la forma de la batería a su complacencia, lo cual puede ser muy importante para los fabricantes de móviles los cuales trabajan constantemente en modelos más pequeños, delgados y ligeros. Las baterías LiPo también están ganando terreno en el mundo de las aeronaves auto controladas, carros radio controlados y trenes a escala, donde las ventajas de bajo peso y un gran aumento en los tiempos de ejecución y entrega de potencia pueden ser justificación suficiente para su precio. Las baterías para los carros a control remoto son usualmente protegidas por cajas de plástico duraderas para evitar pinchazos. Diseños especiales de controladores de velocidad son usados para prevenir excesivas descargas de la batería y su consecuente daño. Esto es logrado a través del corte de bajo voltaje (LVC). Las Li-poli baterías también están ganando terreno en PDAs y ordenadores portátiles, como Apple MacBook, Amazon Kindle , y Lenovo 's Thinkpad X300, ordenadores de bolsillo, la HP Mini y los productos de Dell que ofrecen D-bay baterías. Las Li-poli baterías se utilizan también en los pequeños dispositivos digitales de música como iPods, Zunes y otros reproductores de MP3 como el Apple iPhone y el iPad , así como equipos de juegos como PlayStation 3 de Sony. Riesgos y limitaciones: Todas las celdas de Li-ion se expanden a altos niveles de estados de carga, y si no son contenidas, esto puede resultar en la reducción de confiabilidad y ciclo de vida. El caso de una celda cilíndrica, ésta provee esa contención, mientras que las celdas por sí mismas no están contenidas. Por lo tanto, para alcanzar el rendimiento nominal, una batería compuesta de células debe incluir una carcasa fuerte para mantener la forma. La sobrecarga de una batería de polímero de litio puede causar una explosión o un incendio. Durante la descarga con carga, la carga debe de ser removida tan pronto

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como el voltaje caiga a bajo de los 3V por celda, de lo contrario la batería no aceptará una carga completa y puede experimentar problemas para mantener el voltaje con carga. Las baterías LiPo pueden ser protegidas por circuitos contra sobrecarga y descarga profunda. En comparación con la batería de litio-ion, Li-poli tiene un ciclo de vida de mayor velocidad de degradación. Cargadores especiales de polímero litio son necesarios para evitar el riesgo de fuego y explosión. Las explosiones también pueden ocurrir si los terminales de la batería son cortocircuitados, una tremenda corriente pasa por la celda en ese momento. Aficionados de radio control toman precauciones especiales para asegurar que los extremos de la batería están correctamente conectados y aislados. Por otro lado, los incendios pueden ocurrir si la celda o el paquete se pinchan. Durante la carga de las baterías de polímero de litio, las células individuales de la unidad se deben cargar de manera uniforme. Para este propósito, las células deben ser cargadas con cargadores especiales. Esto implica un cuidado especial durante la carga de las baterías, además de incurrir en gastos en la adquisición de los cargadores específicos para baterías de litio polímero. 3.5.1.2.

BATERIAS NI-CD

Es un tipo de baterías recargables oxido de níquel y cadmio metálico como electrodos. Hay dos tipos de baterías Ni-Cd: selladas y descubiertas. Aplicaciones: Celdas selladas de Ni-Cd deben ser usados individualmente, o ensambladas en paquetes de baterías conteniendo dos o más celdas. Pequeñas celdas son usadas en juguetes y cosas electrónicas portables, a menudo selladas y fabricadas en el mismo tamaño como celdas primarias. Cuando las baterías Ni-Cd son remplazadas por celdas primarias, el más bajo terminal de voltaje y pequeña capacidad (amperios-hora) pueden ser reducidas en comparación con celdas primarias. Las celdas de botón miniaturas son a veces usadas en equipo fotográfico, lámparas de mano, memorias de computadora, juguetes y novedades.

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Baterías Ni-Cd especiales son usadas en teléfonos sin cordón y teléfonos wireless, luces de emergencia y otras aplicaciones. Con una resistencia interna relativamente baja, estas pueden suplir altas cantidades de corriente. Estolas hace una opción favorable para modelos a control remoto como también para herramientas inalámbricas y unidades de flash en las cámaras. Características: Las celdas Ni-Cd tienen un potencial nominal de 1.2 voltios. Esto es más bajo que 1.5 V de la celda primaria alcalina zinc, y consecuentemente no son intercambiables en todas las aplicaciones. Sin embargo, los 1.5 V de la celda primaria alcalina se refiere a su inicio que a su voltaje promedio. A diferencia de las celdas de zinc, carbono y alcalinas, las celdas de Ni-Cd varían muy poco su voltaje de salida mientras son descargadas. Debido a que varios aparatos electrónicos están diseñados para trabajar con celdas primarias que pueden descargarse a 0.9 V o 1 V por celda, el voltaje relativamente estático de las baterías de Ni-Cd es de 1.2 V y es suficiente para permitir la operación de dichos aparatos. Recientemente, baterías de níquel-metal hidruro y de litio-ion están disponibles en el mercado y son más baratas. El primer tipo rivaliza ahora con baterías Ni-Cd en los costos. Cuando la densidad de energía es importante, las baterías de Ni-Cd se encuentran en una situación de desventaja en comparación con el hidruro de níquel-metal y las baterías de iones de litio. Sin embargo, la batería de Ni-Cd sigue siendo muy útil en aplicaciones que requieren velocidades de descarga muy altas, ya que puede soportar dicha descarga sin ningún daño o pérdida de la capacidad. Las baterías Ni-Cd son más difíciles de dañar que otras baterías, toleran descargas profundas por largos periodos, y pueden ser almacenadas totalmente descargadas. Las baterías Ni-Cd típicamente duran más, en término de número de ciclos de carga/descarga que otras baterías recargables. En aplicaciones de consumo, las baterías Ni-Cd compiten directamente con las baterías alcalinas. Una célula de Ni-Cd tiene una capacidad menor que la de una célula alcalina equivalente, y cuesta más. Sin embargo, puesto que la reacción de la pila alcalina de producto químico no es reversible, una batería reutilizable de NiCd tiene una vida significativamente más larga. Adicionalmente, la capacidad de una batería Ni-Cd no es significativamente afectada por las altas corrientes de descarga.

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La principal desventaja con baterías de Ni-Cd es su mayor coste y el uso de cadmio. Este metal pesado es un peligro ambiental, y es altamente tóxico para todas las formas de vida. También son más costosas que las baterías de plomo, porque el costo de níquel y cadmio es más alto. Uno de los mayores inconvenientes es que la batería exhibe un coeficiente de temperatura negativo muy marcado. Esto significa que a medida que la temperatura de la célula se eleva, la resistencia interna cae. Esto puede plantear considerables problemas de carga, en particular con los sistemas relativamente sencillos de carga utilizados para las pilas de tipo plomo-ácido. 3.5.1.3.

BATERIAS NI-MH

Las baterías de hidruro níquel-metal NiMH son un tipo de batería recargable que utiliza un ánodo de oxidróxido de níquel (NiOOH), como la batería de níquel cadmio, pero su cátodo es de una aleación de hidruro metálico. Esto permite eliminar el costoso y medioambientalmente peligroso cadmio a la vez que se beneficia de una mayor capacidad de carga (entre dos y tres veces la de una pila de NiCd del mismo tamaño y peso) y un menor efecto memoria. Por el contrario, presentan una mayor tasa de autodescarga que las de NiCd (un 30% mensual frente a un 20%), lo que hace que éstas se perpetúen en nichos de largos periodos entre consumo (como los mandos a distancia, luces de emergencia, etc.), mientras que son desplazadas por las NiMH en el de consumo continuo. Cada célula de Ni-MH puede proporcionar un voltaje de 1.2 V y una capacidad entre 0.8 y 2.9 Ah. Su densidad de energía llega a los 80 Wh/kg. Este tipo de baterías se encuentran menos afectadas por el llamado efecto memoria, en el que en cada recarga se limita el voltaje o la capacidad (a causa de un tiempo largo, una alta temperatura, o una corriente elevada), imposibilitando el uso de toda su energía. Los ciclos de carga de estas baterías oscilan entre las 500 y 700 cargas, algunos de sus inconvenientes son las "altas" temperaturas que alcanzan en las cargas o en los usos. Aplicaciones: Varios modelos de robots la utilizan, entre ellos el célebre prototipo humanoide ASIMO diseñado por Honda.

61

La tecnología NiMH se utiliza ampliamente en baterías recargables para electrónica de consumo. Son muy útiles porque sus electrodos se pueden soldar sin problemas. Necesitan cargadores específicos para NiMH, ya que los de NiCd no sirven (aunque sí suelen servir a la inversa, de NiMH para NiCd). Actualmente, son habituales los modelos que cargan los dos tipos. En comparación con las baterías de Ni-Cd, las baterías de NiMH tienen una mayor capacidad y son menos tóxicas, y ahora son más rentables. Sin embargo, una batería de Ni-Cd tiene una baja tasa auto-descarga, aunque las baterías de baja auto-descarga de NiMH ya están disponibles, que tienen sustancialmente menor auto descarga que cualquiera de Ni-Cd o tradicionales baterías de NiMH. Esto se traduce en una preferencia por Ni-Cd que por las baterías de NiMH en aplicaciones donde el consumo de corriente de la batería es inferior a la propia de la batería de auto-descarga (por ejemplo, los controles remotos de televisión). En ambos tipos de células, la tasa de auto descarga es más alto para un estado de plena carga y cae un poco para que los estados de carga más bajos. La Tabla 3.7 muestra una comparación entre los diferentes tipos de baterías. Tabla 3.7. Cuadro comparativo de tipos de baterías.

3.6.

Voltaje

Efecto

Resistencia

Cargas y

Velocidad de

por celda

memoria

interna

vida útil

carga

Ni-Cd

1.25

Si

*

**

Lenta

Ni-MH

1.25

Si

**

*

Rápida

Li-ion

3.7

No

***

***

Rápida

Li-Po

3.3

No

****

****

Lenta

PROPELAS

Una propela transmite energía convirtiendo el movimiento rotacional en empuje estático. El rol de una propela es convertir la potencia del motor en empuje para elevar el multirotor en el aire. Las propelas usualmente tienen un número que describe el diámetro o longitud de la misma. Un segundo número hace referencia al pitch (cabeceo), o la cantidad de curvatura en la cuchilla de la propela.

62

Entre más pronunciada es la curvatura o el valor del pitch, mayor la habilidad de la propela para empujar aire y mantenerse suspendida. Cuanto mayor es el número del pitch, mayor la velocidad con la que la aeronave se mueve. Sin embargo, una propela más larga ralentaliza o disminuye las revoluciones o rpm del motor debido a que hay más masa que el motor debe mover. Un diámetro pequeño en la propela también hace mayor ruido que una más larga debido a que gira más rápidamente. Las Figuras 3.13 y 3.14 ejemplifican la descripción de una propela y el empuje que generan dependiendo de su valor de pitch [83].

35

Fig. 3.13 Parámetros descriptivos de una propela: diámetro.

Fig. 3.14 Parámetros descriptivos de una propela: pitch.

36

En la Figura 3.14, las roscas de la izquierda son más largas que las de la derecha y más espaciadas. Éstas a su vez, son más pequeñas y hay muchas más que en el otro. En este ejemplo, la hélice 10x8 impulsaría el aeroplano mucho más rápido por el aire y proveería más empuje. La otra hélice (10x4) tiene menor inclinación y por lo tanto tiene que girar mayor número de veces para tomar la misma cantidad de aire para obtener el mismo empuje. La hélice de 10x8 toma solo una vuelta y media para cubrir la distancia mientras que la hélice de 10x4 necesita de 3 vueltas para cubrir dicha distancia.

35

http://www.scratchrc.com/pics/Propellers/propeller-size.gif http://www.scratchrc.com/pics/Propellers/propeller-pitch.gif

36

63

En otro ejemplo se puede escoger una hélice pequeña con motor de alto Kv (revoluciones por minuto y voltio), pero éste será menos eficiente por lo que consumirá la energía de la batería rápidamente y será demasiado ruidosa. Si la hélice es muy grande para un motor dado, el motor se sobrecalentara y no será capaz de volar por un periodo extendido. El caso opuesto una hélice demasiado pequeña no podría desplazar el volumen de aire necesario para elevar la aeronave. Existen diferentes tipos de propelas, dependiendo del uso y aplicación. Las principales son las propelas tipo Tractor (Counter Clockwise CCW) y tipo Pusher (Clockwise CW). Las propelas CCW son las más utilizadas en multicópteros y una combinación de CCW y CW es necesaria en la mayoría de configuraciones de multirotores. Una propela tipo Pusher es simplemente una propela que es reversa en el eje del motor y es diferente de una Tractor como se muestra en la Figura 3.15. La diferencia básica está en que el motor debe girar en un sentido conforme las manecillas del reloj para que la propela trabaje correctamente empujando el aire hacia abajo.

Fig. 3.15 Propelas tipo Pusher y Tractor.

37

Para determinar la correcta dirección del aire que la propela empuja basta con estabilizar la aeronave y hacer girar a baja velocidad los motores montados conjuntamente con las propelas. Una vez que están girando se siente hacia donde están expulsando el aire y según la necesidad se deberá cambiar el sentido de giro del motor para que el flujo de aire circule en la dirección correcta y se produzca el empuje que hará volar al multirotor. 37

http://static.rcgroups.net/forums/attachments/1/4/0/5/4/1/a4657520-63-ccwtractorcwpusher__jesolins.JPG

64

3.6.1. TIPOS DE PROPELAS 3.6.1.1. PROPELAS APC Existen tres tipos de propelas APC. Las hélices tiposlow-fly y thin-electric están diseñadas para ser usadas únicamente con motores eléctricos. Las hélices tipo sport están diseñadas para manejar el incremento de torque producido por los motores a gas. El perfil de la superficie de sustentación de las hélices slow-fly es bastante delgado con un borde afilado, donde los otros dos tipos tienen una superficie más gruesa de sustentación con bordes redondeados. La Figura 3.16 muestra los tres tipos de hélices [120].

Fig. 3.16 APC Slow-Flyer, Sport, and Thin-Electric propellers.

38

Todas las hélices APC muestran variaciones en las curvas de rendimiento que es consistente con las tendencias globales. Las Slow-Fly muestran la menor variación en eficiencia. La Figura 3.17 muestra estas características.

38

http://www.ae.illinois.edu/m-selig/pubs/BrandtSelig-2011-AIAA-2011-1255-LRN-Propellers.pdf

65

Fig. 3.17 Características Geométricas, Curva de Eficiencia, y Curva de Empuje (inferior).

39

Las hélices sport muestran la más larga variación de la eficiencia que es observada sobre el rango entero de avanzada proporción. Similar a las SlowFlyers, las hélices Thinelectric también muestran un incremento de rendimiento cerca del pico de eficiencia. Una tendencia interesante es encontrar en el empuje y coeficientes de poder para las hélices Thinelectric; es visto que la variación en estos coeficientes se

39

http://www.ae.illinois.edu/m-selig/pubs/BrandtSelig-2011-AIAA-2011-1255-LRN-Propellers.pdf

66

incrementa dramáticamente sobre un pequeño rango avanzado cerca del pico de eficiencia. 3.6.1.2. PROPELAS GRAUPNER Las propelas Graupner son de tres tipos: Cam, CamSlim , y Super Nylon. Las tres están diseñadas específicamente para ser usadas con motores eléctricos y la última está diseñada para ser usada con un motor a gas. La Figura 3.18 muestra los tres tipos de hélices [120].

Fig. 3.18 Graupner CAM, CAM Slim, and Super-Nylon propellers.

40

Las hélices CAM y SuperNylon están diseñadas con grosor moderado en la superficie de sustentación con convencionales bordes redondeados; mientras que, las

hélices CAM Slim y Slim están diseñadas con una más fina superficie de

sustentación con bordes filosos. Las hélices CAM muestran diferencias significativas en las curvas de eficiencia sobre el rango de velocidad de la hélice. Estas diferencias están divididas en variaciones en las características de empuje y menores variaciones en las características de poder. Las hélices CAM Slim muestran menores variaciones en cuanto a grosor y coeficientes de energía sobre un pequeño rango que corresponde a la región de pico de eficiencia. Finalmente, las hélices Super Nylon muestran una variación moderada en la eficiencia, con diferencias incrementadas cerca del pico. La Figura 3.19 muestra estas características.

40

http://www.ae.illinois.edu/m-selig/pubs/BrandtSelig-2011-AIAA-2011-1255-LRN-Propellers.pdf

67

Fig. 3.19 Características Geométricas, Curva de Eficiencia, y Curva de Empuje (inferior).

41

3.6.1.3. PROPELAS GWS Existen dos tipos de hélices GWS. Las hélices DirectDrive y SlowFlyer, ambas diseñadas para ser usadas con motores eléctricos. Las hélices DirectDrive están diseñadas para operar a altas velocidades de rotación y las hélices SlowFlyer están diseñadas para operar a bajas velocidades de rotación. Ambas hélices están diseñadas con superficie de sustentación delgada de bordes afilados. La Figura 3.20 muestra los dos tipos de hélices [120].

41

http://www.ae.illinois.edu/m-selig/pubs/BrandtSelig-2011-AIAA-2011-1255-LRN-Propellers.pdf

68

Fig. 3.20 GWS Hyper-Drive, and Slow-Flyer propellers.

42

Las hélices GWS Direct Drive muestran moderas variaciones en el pico de eficiencia para el rango de velocidad de hélices. Las hélices SlowFlyer muestran mínimas variaciones en el rendimiento. Observando los datos de las hélices SlowFlyer, se observan tendencias únicas en cuanto a eficiencia y curva de coeficiente. En todos los otros casos probados, incrementando la velocidad se incrementaba la eficiencia, el coeficiente de empuje y el coeficiente de poder. Sin embargo es observado aquí que las hélices GWS SlowFlyer tienen bajos puntos de eficiencia, coeficiente de empuje y coeficiente de poder. Estas tendencias se creen que son el resultado de la oscilación de la hélice, como del excesivo ruido observado en casos extremos. La Figura 3.21 muestra estas características.

Fig. 3.21 Características Geométricas, Curva de Eficiencia

42

http://www.ae.illinois.edu/m-selig/pubs/BrandtSelig-2011-AIAA-2011-1255-LRN-Propellers.pdf

69

Fig. 3.21 Curva de Empuje, y Curva de Potencia (inferior).

43

43

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70

CAPÍTULO 4: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRICÓPTERO A continuación se describirá el dimensionamiento y la construcción de los elementos necesarios para el funcionamiento mecánico y electrónico del tricóptero.

4.1.

DISEÑO MECÁNICO Y ELECTRÓNICO DEL TRICÓPTERO

4.1.1. ESPECIFICACIONES DEL PROTOTIPO Para el desarrollo del proyecto se diseñará un prototipo de tricóptero, el mismo que será implementado y probado. Las características constitutivas que tendrá el prototipo contemplan las siguientes partes:

·

Una estructura de soporte (frame)

·

Tres juegos de motores y hélices

·

Tres controladores de velocidad

·

Un circuito de control

·

Un sistema de comunicación para las señales de control

·

Un sistema First Person View (FPV)

El prototipo tendrá la capacidad de mantenerse en el aire con la ayuda de los tres motores y hélices y de moverse en todas las direcciones. Basados en este objetivo, el prototipo tendrá las siguientes capacidades:

·

Alcance del control remoto: 1 Km

·

Altura máxima de elevación: 300 m

·

Tiempo de vuelo: 5 min

·

Peso máximo: 1.5 Kg

·

Alcance del sistema FPV: 300 m

·

Operación: interior y exterior

·

Grados de libertad: 3

71

4.1.2. MODELO LÓGICO DEL TRICÓPTERO El prototipo a ser diseñado tiene una unidad de medida inercial (IMU) que constituirá el sistema de estabilidad de vuelo que permitirá conocer si un brazo del tricóptero tiene una inclinación angular espacial, y por lo tanto, se debe compensar aumentando o disminuyendo la velocidad del motor correspondiente. La tarjeta de control recibe las señales del transmisor por medio del receptor, el cual actúa como la señal deseada. Las señales de la IMU actúan como las señales de posición actual. Una vez que la información ha sido procesada, la tarjeta de control envía las señales de control a los controladores de velocidad para modificar la velocidad de los motores y, de esta forma, se cambia la posición del tricóptero. Las Figuras 4.1 y 4.2 muestran la distribución de los elementos electrónicos que controlan la posición del tricóptero.

Fig. 4.1 Esquema lógico y elementos electrónicos del tricóptero.

72

Fig. 4.2 Diagrama de Bloques del control del tricóptero.

La Figura 4.2 describe mediante un diagrama de bloques las señales de salida y entrada a la tarjeta de control. 4.1.3. ESTIMACIÓN DE MASA Para determinar que combinación de motor y hélice es necesaria para la sustentación de la aeronave, se debe estimar el peso de los elementos constitutivos del tricóptero. Para hacer esta estimación, todos los diferentes componentes que se necesitan para construir la aeronave se encuentran y, un peso promedio de cada componente se calcula. Todos los componentes para este proyecto fueron comprados a través de hobbyking.com porque tiene una amplia variedad de componentes a precios muy convenientes. La Tabla 4.1 muestra el cálculo del peso estimado del tricóptero.

Tabla 4.1. Estimación de masa. PARTES

CANTIDAD

Motores

3

PESO [g] 220

Propelas

3

185

Servo

1

25

ServoReceptor remoto

1

20

ESC

3

140

73

PARTES

CANTIDAD

Bateria

1

PESO [g] 240

Tarjeta de Control

1

120

Estructura (estimado)

1

250

Tornillos, tuercas, amarras, y otros.

1

100

PESO TOTAL [g]

1300

Según la Tabla 4.1, se obtiene un peso estimado de 1300 gramos, los cuales serán utilizados para seleccionar los motores y las hélices adecuadas. 4.1.4. CONSTRUCCIÓN DE LA ESTRUCTURA (FRAME) La estructura del tricóptero tiene que ser robusta y lo suficientemente ligera para poder despegar y elevarse. Una vez considerados todos los materiales disponibles existentes en la actualidad, la utilización de una estructura de madera, aluminio o fibra de carbón es la mejor, pues éstos son los materiales más efectivos para tener una baja densidad y fuerza de choque. Por ejemplo, la fibra de carbono tiene un límite elástico mínimo de 392 MPa y una densidad de 1550 kg/m3. El aluminio, por otro lado, tiene un límite elástico de sólo 240 MPa y una mayor densidad de 2700 kg/m3. La madera triplex tiene un límite elástico mínimo de 6000 MPa y una densidad de 550 kg/m3. En este ejemplo, la ventaja dela fibra de carbono se ve en un bastidor más ligero con una fuerza mucho mayor. Pero dada la dificultad de conseguir fibra de carbono, se optó por elegir a la madera para este proyecto. Después de realizar diferentes estructuras y probar con aluminio, fibra de vidrio, acrílico, y con diferentes tipos de maderas como balsa y triplex, se escogió la madera triplex de tres líneas, por su capacidad de absorber la vibración, bajo costo y fácil remplazo. El diseño final de la estructura se muestra en la Figura 4.3.

74

Fig. 4.3 Diseño final de la estructura del tricóptero.

44

44

Estructura diseñada en Solid Works basada en los trabajos de thecrashcast.com

75

La distancia del centro a cada brazo es de 40cm, y entre dos brazos de 75cm, manteniendo un ángulo de 120 grados en la apertura entre cada brazo. El diseño del chasis es intencionalmente simplista en su naturaleza para que los brazos puedan ser remplazados fácilmente. También la estructura utiliza la fuerza natural de la madera triplex, para soportar los impactos que se producen en cualquier ángulo y son absorbidos por una placa secundaria en la parte inferior del chasis. Se utilizó tornillos y tuercas de 3mm, dos en cada brazo para sujetar la estructura. Adicionalmente, se utilizó cinta adhesiva para reforzar los brazos y puntos de fricción. También se utilizó silicona para asegurar los tornillos empleados y evitar que, por causa de la vibración, se aflojen y, posteriormente, se suelten. Debido a que el tricóptero es normalmente difícil de controlar, es probable que se caiga y se rompa. La silicona actúa como un aglutinante no permanente que puede ser retirado para sustituirlas placas rotas o los brazos. Se utilizó también amarras de 10cm y de 25cm para unir los soportes del motor a los brazos del tricóptero. Por otra parte, se utilizó pega epoxi como un adhesivo permanente para crear una unión fuerte entre los bobinados del motor y los cables que conectan estos bobinados con las tres líneas de poder que provienen de los controladores de velocidad, lo que limita las vibraciones excesivas creadas por los motores. El peso final de la estructura es de 300 gramos.

4.1.5. CÁLCULO DEL EMPUJE ESTÁTICO Los cálculos de empuje estático son necesarios para asegurar que las hélices y motores son seleccionados adecuadamente. El empuje estático se define como la cantidad de empuje producida por una hélice que se encuentra estacionaria con respecto a la tierra. Estos cálculos son particularmente importantes para este proyecto debido a que los multirotores actúan mejor a bajas velocidades respecto a la tierra. Este rendimiento a baja velocidad asegura que los cálculos de empuje estático se pueden aplicar a una amplia gama de condiciones de vuelo. Además, es importante señalar que los cálculos finales de empuje estático son estimaciones y no valores reales [107]. El primer paso en el cálculo de empuje estático es la determinación de la potencia transmitida por los motores de las hélices en términos de revoluciones por minuto

76

(rpm). De acuerdo a aircraft-world.com, se han recopilado datos empíricos utilizados para calcular la potencia cuya fórmula utilizada para su hoja de datos está dada en la Ecuación (1).

ܲ‫ ܽ݅ܿ݊݁ݐ݋‬ൌ ܲ‫’” כ ݐݏ݊݋ܥ݌݋ݎ‬௣௢௪௘௥௙௔௖௧௢௥

(1)

donde la potencia está dada en vatios y las rpms en miles de revoluciones. El siguiente paso es calcular el empuje producido por la hélice. La Ecuación (2) brinda el empuje basado en la teoría del momento.

donde,

ܶ ‫ܦ‬ ‫ݒ‬ ∆‫ݒ‬

ߩ

ܶ ൌ ߨൗͶ ‫ ܦ‬ଶ ߩ‫ݒ‬ο‫ݒ‬

(2)

= empuje [N] = diámetro de la hélice [m] = velocidad del aire a la hélice =velocidad del aire acelerado por la hélice = densidad del aire [1.225kg/݉ଷ ]

Una regla comúnmente usada es que la velocidad del aire a la hélice es ‫½= ݒ‬Δ‫ ݒ‬de la variación total de la velocidad del aire. Por lo que, se deriva la Ecuación (3):

ܶ ൌ ߨൗͺ ‫ ܦ‬ଶ ߩሺο‫ݒ‬ሻଶ .

(3)

La Ecuación (4) muestra la energía consumida por la hélice montada en el motor. Mientras que la Ecuación (5) muestra el resultado de resolver la Ecuación (4) para

ο‫ ݒ‬y sustituirlo en la Ecuación (3). Al hacerlo, ο‫ ݒ‬es eliminado y el torque puede ser calculado.

ܲ ൌܶο‫ݒ‬ൗʹ ֜  ο‫ ݒ‬ൌ ʹܲൗܶ. ଵȀଷ

గ

ܶ ൌ ቂ ‫ ܦ‬ଶ ߩܲଶ ቃ ଶ

.

(4) (5)

Finalmente, es ventajoso expresar el resultado de la Ecuación (5) en términos de masa. Según la ley de newton F=m*a, con la cual se deduce la Ecuación (6).

݉ൌ

ഏ మ

ቂ ஽మ ఘ௉మ ቃ ௚

భȀయ

.

(6)

77

donde g=9.81 [m/‫ ݏ‬ଶ ]. La Ecuación (6) es útil para multirotores debido a que puede

estar directamente relacionada con la masa de la aeronave. En particular, un

empuje (masa) que iguala a la masa de la aeronave es necesario para mantenerla en el aire de forma estacionaria. 4.1.6. MOTORES DC Los motores brushless son los más utilizados en aeromodelismo debido a su gran disponibilidad, precio, y desempeño. Existen muchos sitios web que ofrecen docenas de diferentes motores DC brushless con diferentes especificaciones. Un método para seleccionarlo se describe a continuación. La Figura 4.4 muestra una curva generalizada de torque vs velocidad de un motor DC brushless con un voltaje constante aplicado.

Fig. 4.4 Torque vs Velocidad de un motor DC.

45

El torque máximo puede ser alcanzado cuando el motor está totalmente frenado y no existe torque cuando el motor está a su máxima velocidad de rotación [107]. Los motores DC actúan mejor cuando se produce la mayor potencia mecánica. La potencia es igual al torque por la velocidad rotacional, lo cual se muestra en la Ecuación (7).

ܲ‫ ܽ݅ܿ݊݁ݐ݋‬ൌ ܶ‫݈ܽ݊݋݅ݐܽݐ݋ܴ݀ܽ݀݅ܿ݋݈ܸ݁ כ ݁ݑݍݎ݋‬. 45

http://quadcopterproject.files.wordpress.com/2011/10/figure-4.jpg

(7)

78

Con el fin de encontrar la potencia máxima de un motor, es necesario encontrar la velocidad de rotación donde la potencia máxima se produce. Se muestra en la Figura 4.4 que la potencia máxima se alcanza cuando el torque y la velocidad de rotación son la mitad de la máxima capacidad del motor dado a un voltaje constante. La máxima potencia de salida es importante porque es deseable alcanzar el mejor rango de acción del motor con las situaciones más comunes de la aeronave. En este caso la situación más común del multirotor es mantenerse suspendido en el aire. Esta suspensión ocurre cuando el conjunto motor/hélices produce un empuje (masa) igual al peso de la aeronave. Se debería suspender en el aire cuando el motor alcanza el 50% de su capacidad máxima, lo que se relaciona directamente con la mitad del voltaje de la batería. Los motores DC brushless están dados en Kv (rpm/v), y la velocidad de rotación en la que se consigue la máxima potencia se calcula multiplicando el Kv del motor por la mitad de la tensión de la batería, dividiendo luego el resultado para dos. Este proceso se ilustra en la Ecuación (8):

‫݉݌ݎ‬୫ୟ୶ ௉௢௪௘௥ ൌ

௄௩‫כ‬଴Ǥହ‫כ‬௏௢௧௔௝௘್ೌ೟೐ೝ೔ೌ ଶ

. (8)

La resultante rpm deseada, se produce en ¼ del régimen máximo de revoluciones del motor a plena tensión. Esta rpm deseada se usa en la selección de hélices y motores de este método, adicionalmente con la estimación de la masa. 4.1.7. SELECCIÓN DE HÉLICE Y MOTOR La Tabla 4.2 es una lista condensada de motores de hobbyking.com junto con todos los parámetros necesarios del motor. Las rpm ideales de un motor ocurren a ¼ de su rpm máximo [107]. El rpm ideal de cada motor se muestra en la Tabla 4.2. Tabla 4.2. RPM ideal de especificaciones de motores. Kv(rpm/v)

Max rpm

RPM ideal

NTM Prop Drive Series 35-30 1100kv

Motor

1100

12210

3053

NTM Prop Drive Series 3548 900kv

900

9990

2498

TowerPro Brushless Outrunner 2410-08T

890

9879

2470

D4023-850 OutRunner Motor

850

9435

2359

hexTronik DT750 Brushless Outrunner 750kv

750

8325

2081

Turnigy G15 Brushless Outrunner 710kv

710

7881

1970

Turnigy G25 Brushless Outrunner 610kv

610

6771

1693

79

El siguiente paso consiste en determinar el número de rpm ideal de la hélice. Las rpms ideales se encuentran mediante la combinación de las Ecuaciones (1) y (6). La Ecuación (9) muestra el resultado de esta manipulación matemática. ଶ

ଵൗ ଶఠ

ܴܲ‫ܯ‬௜ௗ௘௔௟ ൌ ቀ ቁ గ

donde, ߱ ߙ ‫ܦ‬ ߩ ݉ ݃

൬

య ሺ௚௠ሻ ൗమ

ఈ஽ ඥఘ

൰

ଵൗ ఠ

.

( 9)

=Factor de poder segúnaircraft-world.com =coeficiente de poder segúnaircraft-world.com =diámetro [m] =Densidad del aire [1.225 kg/݉ଷ ] = Masa [kg] = gravedad [9.81 m/࢙૛ ]

El valor de la masa utilizada en la Ecuación (9) es la masa estimada de 1300 [g] dividida para 3, porque hay 3 juegos de motores/hélices que contribuyen a elevar al tricóptero. Resolviendo las Ecuaciones (5) y (6), para una propela APC 6x4 y una velocidad promedio de giro de 10000 rpm se obtiene T= 4.423 [N] y m=0.451 [kg]. La Tabla 4.3 muestra los resultados de la Ecuación (9) para una gama de diferentes propelas APC E. Tabla 4.3. RPM ideal para motores según cálculos de la teoría del momento. Empuje Ideal

Propela

Diámetro (m)

PC

PF

RPM ideal

0,451 [kg]

6x4

0.1524

0.015

3,2

8324

4,423 [N]

7x5

0.1778

0.042

3,2

5750

8x4

0.2032

0.06

3,2

4934

8x6

0.2032

0.106

3,2

4130

8x8

0.2032

0.148

3,2

3721

9x4,5

0.2286

0.09

3,2

4189

9x6

0.2286

0.129

3,2

3744

9x7,5

0.2286

0.352

2,9

3036

9x9

0.2286

0.448

2,9

2794

10x5

0.254

0.144

3,2

3500

10x7

0.254

0.223

3,2

3053

10x10

0.254

0.68

2,9

2333

11x5,5

0.2794

0.222

3,2

2967

11x7

0.2794

0.301

3,2

2698

11x8

0.2794

0..357

3,2

2558

11x8,5

0.2794

0.383

3,2

2520

11x10

0.2794

0.589

3,2

2188

Densidad del aire [kg/m^3] 1,225 Gravedad [m/s^2] 9,81

80

De las Tablas 4.2 y 4.3 se escoge un motor y una hélice cuyos valore de rpm ideal sean similares. Adicionalmente al análisis realizado, hay otras consideraciones a tener en cuenta cuando se escoge un motor, como el precio y la disponibilidad. Para el proyecto se escogió el motor hexTronik DT750 BrushlessOutrunner 750kvy la propela11x10. De acuerdo a las especificaciones del motor, este tiene un empuje de 1000 gramos, el cual sobrepasa abundantemente el mínimo requerido de 451 gramos. Es claro que la propela APC E 11x10 es la mejor opción para el set de motores dados. Para ser específicos, la propela 11x10 tiene un rpm ideal que soportará la sustentación para la masa estimada del tricóptero, y la rpm ideal de la propela coincide cercanamente con la rpm ideal del motor. 4.1.8. SELECCIÓN DE ESC El siguiente paso es seleccionar el controlador de velocidad adecuado. La elección de un controlador de velocidad ESC es cuestión de determinar las condiciones bajo las cuales éste debe operar, y su elección debe cumplir con las especificaciones que satisfacen esas condiciones.

Los parámetros a considerar son: ·

Número de celdas

·

Corriente a manejar continuamente

·

Espacio disponible

·

Límites de peso

·

Necesidad de un BEC

·

Necesidad de un freno

Una vez completados los pasos anteriores, principalmente en el motor escogido se especifica la cantidad de corriente que consume trabajando normalmente y los picos de corriente que también puede soportar en determinadas circunstancias (como en el arranque).

En la selección del ESC para el tricóptero, se enfocaron los siguientes parámetros: reputación, el amperaje que el motor necesita y las opciones de programación del controlador. Según el motor escogido y sus especificaciones, éste consume 18A

81

continuos y tiene un pico de corriente de 22A. Un controlador que satisface los requisitos es el Turnigy Plus 18A Speed Controller. Este ESC fue escogido también por las buenas críticas y recomendaciones de otros usuarios, las capacidades de programación, y por sus especiales características de seguridad en cuanto a temperaturas de sobrecarga y protecciones eléctricas.

4.1.9. SELECCIÓN DE BATERÍA El tipo más común de batería en el campo de aeromodelismo de hoy es de polímero de litio (LiPo), y este tipo fue elegido para este proyecto. La popularidad de las baterías de LiPo se debe a su gran capacidad, peso ligero, y una excelente descarga. Los siguientes datos es información general acerca de las baterías LiPo:

·

Cada celda de una batería LiPo tiene una tensión nominal de 3.6 V y se descarga completamente cuando cada celda alcanza los 3V.

·

Una batería contiene generalmente de 1 a 3 celdas. Si la batería sigue descargándose después de los 3V no se podrán recargar nunca más.

·

La capacidad de una batería se mide en miliamperios-hora (mAh).

·

La corriente es clasificada en C, que es la tasa máxima de descarga de una batería. Por ejemplo, una batería 1C puede manejar una corriente que tomaría una hora para descargarse completamente y una batería 2C es capaz de ser descargada en media hora. Un ejemplo se muestra en la Tabla 4.4. Tabla 4.4. Tasa de descarga según el parámetro C. Tasa de descarga

Tiempo de descarga

1C

1 hora

2C

30 min

4C

15 min

8C

7.5 min

20C

3 min

Para este proyecto, el tiempo de vuelo será analizado para determinar la batería adecuada. El tiempo de vuelo, que es directamente proporcional a la capacidad de la batería, se puede encontrar dividiendo la capacidad de la batería por la cantidad de amperios siendo extraídos de la batería según la potencia de la propela. El tiempo de vuelo se muestra en la Ecuación (10), donde la capacidad de la batería indica el tamaño de la batería y el amperaje que el motor necesita continuamente

82

para funcionar de forma normal. Basándonos en las baterías recomendadas por diversos foros de aeromodelismo se escoge una batería LiPo de 2200 mAh.

ܶ݅݁݉‫ ݋݈݁ݑݒ݁݀݋݌‬ൌ ‫ܽ݅ݎ݁ݐܾܽ݁݀݀ܽ݀݅ܿܽ݌ܽܥ‬Ȁܽ݉‫݆݁ܽݎ݁݌‬.

(10)

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ܶ݅݁݉‫ ݋݈݁ݑݒ݁݀݋݌‬ൌ ͸݉݅݊

El motor sin escobillas hexTronik DT750 tiene un amperaje máximo de 18 amperios. Puesto que hay un total de 3 motores, el consumo máximo total de la batería será de 54 amperios. La Tabla 4.5 enumera una variedad de baterías con capacidades diferentes y tiempos de vuelo correspondientes a las tasas de descarga completo y medio. Tabla 4.5. Tiempo de vuelo respecto a la capacidad de la batería y tasa de descarga. Capacidad

Tiempo de vuelo a 100%

Tiempo de vuelo a 50%

[mAh]

Tasa de descarga [min]

Tasa de descarga [min]

1000

1,5

3

1200

1,8

3,6

1400

2,1

4,2

1600

2,4

4,8

1800

2,7

5,4

2000

3

6

2200

3,3

6,6

2400

3,6

7,2

2600

3,9

7,8

Después de investigar las muchas baterías disponibles en el mercado, la batería escogida es una ZippyLipo 2200 mAh 25C. Esta batería es de aproximadamente el mismo peso que la batería de la estimación del peso realizado anteriormente y tiene una capacidad que mantener el vuelo durante aproximadamente 5 minutos a una velocidad de descarga del 50%. Adicionalmente existen calculadoras en línea que permiten tener una mejor idea de los elementos que se están escogiendo o son requeridos. Entre las principales ayudas online destacan: ·

http://adamone.rchomepage.com/calc_motor.htm

·

http://www.ecalc.ch/xcoptercalc_e.htm?ecalc

·

http://personal.osi.hu/fuzesisz/strc_eng/index.htm

83

4.1.10. DISEÑO DE LA TARJETA DE CONTROL Esta sección se enfocará en los componentes electrónicos utilizados para este proyecto. La tarjeta de control está basada en el proyecto kkmulticopter diseñado por Rolf Bakke. El primer componente electrónico a seleccionar es el microcontrolador, que conjuntamente con los giroscopios constituyen la unidad de medida inercial (IMU). La IMU constituye el sistema de estabilidad de vuelo que permite conocer si un brazo o la cola del tricóptero tiene una inclinación angular espacial y, por lo tanto, se debe compensar aumentando o disminuyendo la velocidad del motor correspondiente. El microcontrolador a utilizarse es el ATMega 168, debido a su capacidad de memoria, precio y versatilidad. Los sensores utilizados son giroscopios analógicos Murata ENC-03, debido a las sugerencias y comentarios positivos de su desempeño en diferentes grupos de aeromodelismo y multirotores. La tarjeta de control recibe las señales del transmisor por medio del receptor, el cual actúa como la señal deseada. Las señales de la IMU actúan como las señales de posición actual. Una vez que la información ha sido procesada, la tarjeta de control envía las señales de control a los controladores de velocidad para modificar la velocidad delos motores y, de esta forma, cambiar la posición del tricóptero. Las Figuras 4.5 y 4.6 muestran la distribución de los elementos electrónicos que controlan la posición del tricóptero.

Fig. 4.5 Sentido de giro de los motores en el tricóptero.

84

Fig. 4.6 Esquema de tarjeta de control y elementos electrónicos del tricóptero.

Fig. 4.7 Diagrama de Bloques del control del tricóptero.

La Figura 4.7 describe mediante un diagrama de bloques las señales de salida y entrada a la tarjeta de control. En el ANEXO 3 se muestra el esquema del circuito impreso y el esquema eléctrico de la placa de control. La Tabla 4.6 muestra los elementos electrónicos utilizados en la tarjeta de control.

85

Tabla 4.6. Elementos de la tarjeta de control. Elemento

Cantidad

Atmega 168

1

LM317

1

R: 100 Ohm (1/4 W)

3

R: 4.7 Ohm (1/4 W)

2

R: 10 kOhm Potenciómetro

3

R: 680 Ohm (1/4 W)

1

R: 220 Ohm (1/4 W)

1

R: 68 Ohm (1/4 W)

1

R: 4.7 kOhm (1/4 W)

1

C: 10 uF

6

C: 0.68 uF

2

C: 33 uF

2

LED 5mm

1

Giroscopio HobbyCity HK401B

3

Los capacitores y resistencias actúan como filtros pasa bajos para atenuar el ruido y EMI que puede afectar a la señal de los giroscopios y otras señales de control.

86

4.1.10.1. DIAGRAMA DE FLUJO DE LA TARJETA DE CONTROL A continuación se presenta el diagrama de flujo de la tarjeta de control: INICIO

Sensar la posición de los potenciómetros (ADC)

Pot. 1 menor Que el 10%

Pot. 2 menor Que el 10%

Pot. 3 menor Que el 10%

Memorizar el nivel medio de todos los sticks del control remoto.

Memorizar el nivel máximo y mínimo de la aceleración.

Ajustar la dirección de compensación.

Interrupción en canales pwm

Medir el ancho de pulso y almacenarlo en una variable correspondiente a cada canal.

Todos los pot. < al 10%

Todos los pot. > al 50%

Regresar a la configuración inicial.

Usar los datos almacenados de los set points.

Aplicar algoritmo PI para Yaw, Pitch y Roll en las salidas pwm.

Fig. 4.8 Diagrama de Bloques del control del tricóptero

87

4.1.11. PROGRAMA DE CONTROL 4.1.11.1. TIPOS DE SEÑALES ·

Las señales provenientes del receptor son 4 (alabeo, cabeceo, guiñada, y aceleración) tipo servo, las mismas que son las señales de entrada del controlador.

·

Las señales de salida de la tarjeta de control también son señales tipo servo, las mismas que son enviadas a los controladores de velocidad.

·

La sensibilidad de los sensores (giroscopios) es ajustada por medio del valor de voltaje de tres potenciómetros ubicados en la placa de control.

·

Las señales de salida de los controladores de velocidad son señales en secuencia trifásica alterna y sirven para aumentar o disminuir la velocidad de los motores brushless.

4.1.11.2. PROCESAMIENTO DE SEÑALES DEL RECEPTOR Para convertir las 4 señales (servo) provenientes del receptor en señales digitales de 16 bits, se usa el siguiente método:

·

Se utiliza un timer que funciona continuamente y 4 interrupciones externas (señales del receptor).

·

Se configura para que, ante cualquier cambio de estado, la interrupción correspondiente sea activada y el programa salte al código correspondiente de dicha interrupción.

En la Figura 4.9 se puede observar dos diferentes casos. En el caso 1, el programa ingresa en la interrupción, donde el pin correspondiente se encuentra en estado alto. Se procede a almacenar el valor del contador del timer1 en una variable. A continuación, en el caso 2, el programa salta a la interrupción, entonces se resta el valor actual del contador1 del valor anterior del contador1 y se obtiene la medida del ancho de pulso en 16 bits.

88

Fig. 4.9 Señal tipo servo activadora de interrupción.

4.1.11.3. OBTENCIÓN DE LA SEÑAL DE SALIDA Se inicia la cuenta con un timer para saber cuánto tiempo estuvieron encendidas las salidas y saber cuánto tiempo más les falta por permanecer encendidas. Luego se pone en estado alto todos los pines de salida, y se disminuye el valor calculado en el controlador hasta que sea cero, para finalmente, apagar los pines de salida correspondientes. Para evitar accidentes, los motores no se encenderán a menos que se realice la secuencia de encendido o armado. El armado de los motores se realiza mediante un comando del control remoto por unos segundos. El armado se explica en las Figuras 4.10 y 4.11.

Fig. 4.10 Secuencia de armado del tricóptero.

Mediante la gráfica de la Figura 4.10, se pone el throttle (acelerador) al mínimo y el valor de yaw al máximo. Se encenderá el led de la placa de control indicando que el sistema está encendido y que es peligroso acercarse a las hélices del tricóptero. Para desarmar los motores se realiza el comando de la Figura 4.11 por unos segundos.

89

Fig. 4.11 Secuencia de apagado del tricóptero.

Con la cual se pone el throttle al mínimo y el valor de yaw al mínimo. Se apagará el led de la placa de control, indicando que el sistema está apagado y que es seguro acercarse a las hélices del tricóptero. El diagrama de bloques del programa de control se detalla en el ANEXO 4.

90

5. CAPÍTULO 5: PRUEBAS Y RESULTADOS A continuación y, en primer lugar, se expondrán los diferentes modelos y prototipos de chasis desarrollados a lo largo de este proyecto. 5.1. MODELO 1

91

Fig. 5.1 Modelo 1.

En el modelo 1 se utilizó una combinación de aluminio, madera y fibra de abacá. Como se muestra en las fotos, los motores se sujetan con tornillos y tuercas, lo que los hace más seguros en cuanto a estar sujetos a la estructura, pero añade peso considerable por la cantidad de tornillos y tuercas usados. Adicionalmente el sistema mecánico de la cola no es tan estable y su peso es muy elevado en comparación con los otros dos brazos. El peso de este prototipo está alrededor de los 660 gramos, sin considerar el peso de la batería y los motores con hélices. Una vez montados todos los elementos el peso total sobrepasa los 2000 gramos, por lo que es demasiado pesado para elevarse. Adicionalmente, los motores utilizados no proporcionan el empuje necesario para elevar al modelo. 5.2. MODELO 2

92

Fig. 5.2 Modelo 2.

El modelo 2, es semejante al modelo 1, los cambios adicionales son la utilización de madera triplex de 3 líneas en vez de la fibra de abacá que se utilizó en el modelo 1 para unir los brazos. Este modelo pesa alrededor de 700 gramos, y al igual que el modelo 1, es extremadamente pesado. Adicionalmente, en los modelos 1 y 2, los brazos son de aluminio rectangular, los mismos que tras las pruebas realizadas transmiten de forma excesiva la vibración producida por los motores y las hélices. La ventaja de este diseño está en la seguridad del montaje de los motores sobre los brazos, pero a la vez es muy rígido y, en el caso de un choque, los elementos más afectados son directamente los motores y las hélices. 5.3. MODELO 3

93

Fig. 5.3 Modelo 3.

El modelo 3 consta de brazos de madera y otro sistema para la cola. Los brazos son de madera de 2cm x 2cm x 30cm. Las placas del centro que unen los brazos son de fibra de abacá. Las tres patas de aterrizaje están hechas de balsa y unidas a los brazos con goma blanca. El modelo pesa alrededor de 500 gramos, es muy pequeño, y el sistema de giro de cola es más pesado que los otros brazos. En las pruebas realizadas se determinó que los brazos son muy cortos y al ser tan pequeñas las placas del centro es muy difícil de maniobrar y muy inestable. La vibración sigue siendo un problema constante. 5.4. MODELO 4

94

Fig. 5.4 Modelo 4.

El modelo 4 busca mitigar la vibración y hacer más estable al modelo con brazos más largos. Se utilizó aluminio tipo tubo de 1cm de diámetro para los brazos. El centro consta de placas de balsa, hojas de espuma densa y fomix. La estructura pesa alrededor de 300 gramos. Los motores se montan en dos pedazos de madera triple de 4 líneas, anclados en los extremos de los brazos de aluminio con un tornillo central. Pese a los materiales utilizados, los brazos de aluminio transmiten en exceso las vibraciones producidas por los motores y sigue siendo rígida la estructura en el caso de un choque. 5.5. MODELO 5

95

Fig. 5.5 Modelo 5.

El modelo 5 es una variación del modelo 4, donde se cambió la forma de montar los motores a los brazos. Se utilizó un pequeño molde de plástico y espuma para absorber la vibración. Adicionalmente, se utilizó caucho y resortes en los motores. También se añadió esferas de espuma para el aterrizaje. El centro se cambió por láminas de madera usadas en el modelo 2. La ventaja del modelo es su no rigidez en caso de choque, lo que permite que rebote hasta cierto punto y no se afecten los elementos electrónicos. El problema encontrado es nuevamente la vibración transmitida por los brazos, la cual pese a que se redujo, todavía es fuerte en las placas de madera. 5.6. MODELO 6

96

Fig. 5.6 Modelo 6.

El modelo 6 es diferente de los otros modelos. Los brazos del modelo 6 son plegables, lo que garantiza que en caso de un choque los brazos solo se doblen hacia atrás y no se rompan ni afecten los elementos electrónicos. El peso del modelo es alrededor de 160 gramos. Los brazos son de madera de pino de 2cm x 2cm x 40cm. Las placas del centro son de triplex de tres líneas y están unidas con cuatro tornillos, uno en cada brazo y dos en la cola. En los brazos existen dos tornillos más que sirven como topes para saber hasta dónde se deben abrir los brazos y donde deben ser ajustados. El modelo es muy ligero y tiene los motores sujetos ya no con tornillos sino con amarras de 10cm. La ventaja de las amarras es que en caso de choque las mismas se rompen y no se afecta la estructura del motor. El modelo en sí es muy seguro y maniobrable. La desventaja que presenta, una vez efectuadas las pruebas, está en que a pesar de estar asegurados los tornillos que unen a los brazos y los mantienen abiertos en un ángulo de 120 grados, la fuerza centrífuga de los motores, al momento de acelerar, hace que se doblen los brazos sin previo aviso, lo cual es un peligro potencial al momento de volar. Adicionalmente, se observa que es muy susceptible a inclinarse hacia un lado cuando está elevado a una altura considerable debido al viento, por lo que se concluye que las placas centrales son muy pequeñas.

97

5.7. MODELO 7

Fig. 5.7 Modelo 7.

El modelo 7 es una variación del modelo 6, donde lo brazos tienen una medida de 1cm x 1cm x 50cm. El largo adicional lo hace más estable en el vuelo, pero los brazos tan delgados presentan vibración adicional solo por el peso en los extremos. En el caso de un choque los brazos se rompen inmediatamente, por lo que no es seguro. El modelo también presenta los brazos plegables. 5.8. MODELO 8

98

Fig. 5.8 Modelo 8.

El modelo 8 es una evolución en base a la experiencia adquirida con los modelos anteriores. La placas centrales son de balsa y más grandes porque de esta manera el modelo se mantiene más estable una vez que está en el aire. Los brazos, de dimensiones 2cm x 2cm x 30cm absorben notablemente la vibración. El modelo vuela muy bien y pesa alrededor de 1050 gramos. La desventaja está en que en el momento de un choque las placas centrales se trisan instantáneamente. Soportan un choque suave, pero si el modelo está a mucha velocidad o a una altura considerable, la balsa no tiene la flexibilidad y dureza suficiente para soportar el impacto.

5.9. MODELO 9

99

100

Fig. 5.9 Modelo 9.

El modelo 9 es una evolución del modelo 8, donde las placas centrales están hechas de triplex de 3 líneas. Al cambiar balsa por triplex el peso aumenta notablemente en 200 gramos, pero es más resistente a choques fuertes. El peso de la estructura es de 360 gramos y el prototipo completo pesa alrededor de 1215 gramos. Las dimensiones de los brazos son 2cm x 2cm x 40cm, con lo que el tricóptero muestra una buena estabilidad cuando vuela. También se sustituyó las patas de balsa por esponjas, las cuales absorben el impacto en el aterrizaje y son más fáciles de remplazar. El sistema de giro de la cola es más seguro que los probados en modelos anteriores, pero de todas formas en un aterrizaje fuerte si lo que se golpea es la cola el elemento más proclive a dañarse es el servo que actúa como timón. En las pruebas realizadas el prototipo mantiene un vuelo estable y el tiempo de vuelo está directamente ligado al tamaño de las hélices utilizadas. Las propelas 10x5.5 y 11x4.7 tipo Slow-fly son las que mejores resultados proporcionan. El tiempo de vuelo varía entre 3 minutos y 4 minutos conforme a la hélice utilizada. 5.10. MODELO 10 El modelo 10 es una mejora del modelo 9. Contiene un sistema de FPV (First Person View), el cual consta de una pequeña cámara de video, un transmisor y receptor de video y una batería adicional. Este sistema permite emular un vuelo en primera persona, con lo cual el piloto puede experimentar un vuelo como si estuviese sentado en el tricóptero y no únicamente en tercera persona como se realizó hasta el modelo 9.

101

El sistema de FPV consta de los siguientes elementos: CÁMARA DE VIDEO

46

Fig. 5.10 Cámara HD de 120 grados.

La cámara de bolsillo ofrece una calidad HD de video en un paquete muy ligero y pequeño. Tiene una memoria MicroSD que permite grabar por varias horas en formato 720p .avi. La cámara esta construía para estar embebida con una batería de 850 mAh LiPo que provee más de 3 horas de grabación. Especificaciones: Lentes de120 grados de visión 5 Megapixels COMS sensor Resolución de video: 1280x720p 30fps Calidad de video seleccionable: Superior/Standard/Economic Función de grabación con detección de movimiento Tiempo de grabación ajustable a 10sec, 1min, 5min, 10min Resolución de fotografía: 2560x1920 JPG Batería embebida de 850 mAh Lipoly Slot de memoria: Transflash (Micro SD) Tamaño: 74mm x 28mm x 15mm Peso: 29.4g 46

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/A-CAM.jpg

102

Función de cámara de escritorio PC Modo Salida TV-OUT soporta PAL/NTSC

TRANSMISOR Y RECEPTOR DE VIDEO

Fig. 5.11 Sistema Tx/Rx de video de 5.8 GHz.

47

El transmisor de 5.8Ghz 200mW permite tener un sistema que funciona hasta los 500m de vuelo con la antena suministrada. El receptor tiene una salida adicional de video para grabar mientras se usan gafas FPV. Especificaciones: Impedancia de salida: 50Ohm Salida de energía: 21~23dBm Canales: 8 Voltaje de operación del Transmisor: 7~15VDC / 150mA Voltaje de operación del Receptor: 5VDC Temperatura de operación: -10~85C Ancho de banda de video: 0~8.0MHz Frecuencia de Audio: 6.5MHz Video input level: 0.8~1.2Vp-p Impedancia de entrada de video: 75Ohm Audio input level: 0.5~2.0Vp-p Impedancia de entrada de audio: 10K/Ohm Peso: 25g Conector de antena: SMA 47

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/STCR351305.jpg

103

Tamaño: 55 x 26 x 17 mm Canales 5.8G: 5705, 5865, 5665, 5645, 5885, 5905, 5925, 5945 MHz GAFAS TURNIGY FPV

Fig. 5.12 GafasTurnigy FPV.

48

Las gafas FPV tienen un display de 320 x 240 4:3 con entrada AV, ofrecen una imagen virtual y utilizan una batería de 900 mAh de litio. Especificaciones: Resolución: 320x240 Relación: 4:3 Batería: 900mAh litio Formato: PAL/NTSC En la Figura 5.13 se muestra el modelo 10 con el sistema FPV implementado.

48

http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/catalog/Turnigy-FPV-main.jpg

104

Fig. 5.13 Modelo 10.

105

5.11. PRUEBAS REALIZADAS Una vez que se voló con éxito los modelos 9 y 10, se brobaron ciertos parámetros que permiten contrastar los objetivos iniciales con el resultado final del proyecto. Se realizaron diversas pruebas en el modelo 10, descritas en la Tabla 5.1. Las pruebas se efectuaron en ambientes cerrados y en ambientes abiertos donde la velocidad del viento es muy baja o casi inexistente. Tabla 5.1. Pruebas realizadas en el modelo 10. Resultados Peso total

1280 g

Alcance del control remoto Altura máxima de elevación (probada) Tiempo de vuelo Dificultad en maniobrabilidad Alcance del sistema FPV Operación Grados de libertad Máxima carga de transporte

500 m 15 m 3-4 min Mediana 100 m interior y exterior 3 700 g

Como se observa en la Tabla 5.1, los resultados obtenidos son satisfactorios al compararlos con las especificaciones de diseño que en un principio se plantearon en el Capítulo 4. Es importante señalar que se invirtieron 30 horas de práctica en un simulador de vuelo para lograr desarrollar la habilidad necesaria para maniobrar el prototipo. El simulador utilizado es el FMS (Flying Machine Simulator), el cual consta de diversos modelos de helicópteros y aviones de aeromodelismo, y pese a que no hay un modelo de un multirotor, cumple con el propósito de adaptar al operador a un medio similar al real y desarrollar la habilidad de controlar un objeto en tres dimensiones para así poder mantener un vuelo estable.

106

5.12. RESUMEN DE MATERIALES PROBADOS

Fig. 5.14 Resumen de estructuras: brazos chasises.

La Figura 5.14 muestra todos los materiales probados en los diez modelos desarrollados. La ventaja del aluminio está en su resistencia a choques frente a madera y fibras. La desventaja encontrada está en la transmisión muy fuerte de vibraciones producidas por los motores. La ventaja de la madera está en su gran capacidad de absorber la vibración, fácil remplazo y ensamblado.

107

Las placas utilizadas para unir los tres brazos son de triplex de 3 líneas, fibra de abacá, acrílico, y espuma densa. El acrílico es muy fácil de trizarse en un choque y no presenta flexibilidad. La espuma densa es demasiado flexible, y frente a un choque los puntos de estrés fácilmente se aflojan o rompen. La madera y la fibra de abacá son los materiales que mejor se adaptan a las condiciones de funcionamiento y fuerzas que se producen en el vuelo. El tamaño de las placas también afecta la estabilidad aérea, siendo entre más grandes más estable el prototipo.

Fig. 5.15 Hélices, tipos y diámetros probados.

La Figura 5.15 muestra las diferentes hélices probadas, observándose sus diferentes tamaños. En general entre más grande es la hélice menor tiempo de vuelo tiene el tricóptero. Entre más pequeña es la hélice mayor tiempo de vuelo, pero si es menor a 10x5.5 no tiene el suficiente empuje para elevar la estructura. Si la hélice tiene un número grande de pitch, produce un mayor empuje pero también limita el tiempo de vuelo. Las hélices más apropiadas y las que mejores resultados proporcionan al tricóptero son las propelas Slow-Fly. Se puede utilizar tres propelas iguales, pero es mejor usar dos propelas CCW y una CW.

108

5.13. LISTA DE MATERIALES ADQUIRIDOS DETALLE ECONÓMICO DE ELEMENTOS COMPRADOS

1er Pedido (China) 3ch Micro Dragonfly Coaxial Heli w/ IR remot Futaba 6EX 2.4GHZ FAAST Radio System w/R617F

Cantidad

Precio Unidad

Precio Total

Peso c/u(g)

1

11,00

11

406

1

180,00

180

1809

Shipping

36,39

SUBTOTAL 1

$

227,39

Cantidad

Precio Unidad

Precio Total

Peso c/u(g)

Turnigy X5 3S 5 port LiPo Battery Charger

1

32,23

32,23

293

ZIPPY Flightmax 2200mAh 3S1P 25C (X-Thin)

3

12,7

38,1

210

Nylon XT60 Connectors Male/Female (5 pairs)

1

3,19

3,19

39

KDA A22-**L motor accessory Pack.

1

3,45

3,45

80

BMS-385DMAX Digital Servo (Metal Gear) 4.2kg

1

20,48

20,48

38

Prop Saver w/ Band 4mm (10pcs)

1

3,96

3,96

39

Hobby King 401B AVCS Digital Head Lock Gyro

4

12

48

27

Turnigy 5A (8-26v) SBEC for Lipo

2

4,8

9,6

37

NTM Prop Drive Series 28-30A 750kv / 140w

4

15

60

80

NTM Prop Drive 28 Series Accessory Pack

1

1,9

1,9

22

PolyMax 3.5mm Gold Connectors 10 PAIRS

1

1,55

1,55

30

TURNIGY Sentry 25amp Speed Controller

3

15,5

46,5

45

SF E-Prop 9x4.7 / 229x119.5mm w/ Adapters Bl

1

2,7

2,7

59

TP Slow Fly propeller 1047 (10x4.7) GWS styl

3

1,2

3,6

13

APC stylepropeller 10x5-E

3

0,75

2,25

35

JXF 10x6 / 254 x 152.5mm Poly Composite prop

3

1,55

4,65

75

FiberglassCanopyfor Trex-450

1

4,5

60

2do Pedido (China)

4,5 Shipping

43,6

SUBTOTAL 2

$

330,26

Cantidad

Precio Unidad

Precio Total

Peso c/u(g)

FPV Fiberglass Pan-Tilt Camera Mount L-Size 900MHZ 800mW Tx/Rx & 1/3-inch CCD Camera NTS

1

5

5

19

1

77,25

77,25

549

HD Wing Camera 1280x720p 30fps 5MP CMOS

1

36,32

36,32

125

3er Pedido (China)

Shipping SUBTOTAL 3

15 $

133,57

109

4to Pedido (China) Turnigy BASIC FPV Goggles 320 x 240 4:3

Cantidad

Precio Unidad

Precio Total

Peso c/u(g)

1

77,95

77,95

300

Shipping

15

SUBTOTAL 4

5to Pedido (China)

$ Precio Unidad

Cantidad

92,95 Precio Total

Peso c/u(g)

hexTronik DT750 Brushless Outrunner 750kv

3

11,35

34,05

79

TURNIGY Plush 18amp Speed Controller

3

11,35

34,05

34

Shipping

21

SUBTOTAL 5

6to Pedido (China)

$ Precio Unidad

Cantidad

89,1 Precio Total

Peso c/u(g)

MS-385DMAX Digital Servo (Metal Gear) 4.2kg

2

20,5

41

38

GWS EP Propeller (RD-1147 279x119mm) 6pcs/s

2

5,4

10,8

93

Turnigy Heat Shrink Tube 25mm Transparent

1

0,71

0,71

79

2213N 800Kv Brushless Motor

4

8,95

35,8

73

Propeller Adapter (colet type) 3mm

4

2

8

15

USBasp AVR Programming Device for ATMEL

1

5

5

35

PolyMax 3.5mm Gold Connectors 10 PAIRS

1

1,55

1,55

30

Shipping

25,32

SUBTOTAL 6

7mo Pedido (China)

$ Precio Unidad

Cantidad

128,18 Precio Total

Peso c/u(g)

TURNIGY Plush 25amp Speed Controller

4

12,2

48,8

47

3cm Male to Male Servo Lead 26AWG (10pcs/set)

1

3,9

3,9

28

GWS EP Propeller (RD-1410 356x254mm)

6

1,2

7,2

35

ZIPPY Flightmax 2100mAh 3S1P 30C LiFePo4

1

14,1

14,1

260

On Board Lipoly Low Voltage Alarm (2s~4s)

1

1,9

1,9

10

Simple PropBalancer

1

1,4

1,4

15

Shipping SUBTOTAL 7

8vo Pedido (China)

Cantidad

25,32 $

102,62

Precio

Precio

Peso

Unidad

Total

c/u(g)

Slow Fly Electric Prop 12x4.5 SF (4 pc)

2

4,18

8,36

69

Slow Fly Electric Prop 12x4.5R SF (4 pc)

2

4,18

8,36

69

Slow Fly Electric Prop 11X4.7SF (4 pc)

2

3,78

7,56

69

Slow Fly Electric Prop 11X4.7R SF (4 pc)

2

3,8

7,6

69

Shipping SUBTOTAL 8

15 $

46,88

110

Precio Unidad

Cantidad

9no Pedido (China)

Precio Total

Peso c/u(g)

hexTronik DT750 Brushless Outrunner 750kv

3

11,35

34,05

79

HobbyKing Multi-Rotor Control Board V2.1 (At

1

15

15

99

BMS-306MAX Micro Servo (Extra Strong) 1.6kg

1

9,6

9,6

27

BMS-375DMG Digital Servo (Metal Gear) 1.6kg

2

18,18

36,36

33

HKSCM16-5 Single Chip Digital Servo (5V) 13g

3

3,55

10,65

18

5.8g 200mw FPV Wireless AV Tx& Rx Set

1

64,9

64,9

190

Shipping

25,32

SUBTOTAL 9 Precio Unidad

Cantidad

10mo Pedido (China)

$

195,88 Precio Total

Peso c/u(g)

TP Slow Fly propeller 11x3.8

6

1,2

7,2

27

TP Slow Fly propeller 1047 (10x4.7) GWS style

6

1,2

7,2

13

BMS-385DMAX Digital Servo 4.2kg /.15sec /16.5g

1

20

20

38

Turnigy 1000mAh 3S 25C Lipo Pack

1

5,45

5,45

141

TP Slow Fly propeller 1080(10x8) GWS style

4

1,2

4,8

27

1

3,85

3,85

63

Slow Fly Electric Prop 11x4.7SF (4 pc - Green)

Shipping SUBTOTAL 10

15 $

63,5

Precio Total

Compras Locales (Ecuador) Elementos Electrónicos

50

Simulador de vuelo

50

Materiales para estructura

100

Adicionales (impuestos, uso de tarjeta de crédito)

100

SUBTOTAL 11

300

$

TOTAL

$

1710,33

Justificación: El total invertido es la cantidad de $1710.33 dólares, los cuales se invirtieron en el desarrollo de los diferentes modelos, hasta alcanzar el prototipo final (modelo 10), así como repuestos y remplazos de elementos dañados. Los pedidos se compraron en hobbyking.com.

111

6. CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1. CONCLUSIONES ·

El objetivo principal de este proyecto de titulación, diseñar y controlar un prototipo de tricóptero, ha sido cumplido en su totalidad.

·

Se investigó y estudió en forma general los diferentes tipos de multirotores existentes en la actualidad, para comprender el funcionamiento y las partes constitutivas más importantes de cada modelo.

·

El prototipo desarrollado tiene la capacidad de mantenerse en el aire con la ayuda de tres juegos de motores y hélices, con las cuales puede moverse en todas las direcciones.

·

El despegue, maniobras, y aterrizaje son realizadas por un operador que utiliza un control remoto para realizar todos los movimientos.

·

Una vez en el aire, el prototipo mantiene un vuelo estable, y es maniobrado por los comandos que el operador del control remoto realiza.

·

El prototipo puede trabajar en ambientes cerrados, sin presencia de viento, de forma muy estable; y en ambientes externos con presencia de viento con cierta dificultad, dependiendo en este último caso de la habilidad del operador del tricóptero.

·

En la primera fase de este proyecto, los objetivos específicos se han definido para el diseño del tricóptero, y a partir de ellos, se llevó a cabo un estudio minucioso en la electrónica que forma parte de la aeronave. Este análisis dio como resultado la construcción de un tricóptero capaz de lograr un despegue sin necesidad de utilizar los motores a plena potencia, dejando un amplio espacio adicional para maniobrar.

·

Se concluye en base a las pruebas realizadas, que el prototipo final del tricóptero cumple con las especificaciones de diseño planteadas, y las diferencias entre los cálculos teóricos y los resultados prácticos se deben a diversos factores, como por ejemplo la dificultad de obtener los elementos seleccionados debido a la inexistencia de tiendas especializadas en el Ecuador.

112

·

Se concluye en base a los diferentes modelos desarrollados que mientras más grande y ligera sea la estructura del tricóptero, más fácil es su maniobrabilidad una vez que está suspendido en el aire.

·

A diferencia de todos los sistemas multirotores que usan una combinación de hélices reversas y directas para impedir que la aeronave gire en el plano horizontal, en el tricóptero, el servo controla completamente el movimiento de alabeo, pudiéndose utilizar cualquier tipo de hélices directas o inversas.

·

Balancear las hélices es uno de los pasos fundamentales, debido a que si no están balanceadas las hélices, se produce vibración, la cual afecta al sistema mecánico y electrónico; esta vibración también afecta a los tornillos que soportan la estructura y altera las medidas de los sensores. Las hélices probadas fueron balanceadas previamente a cada prueba de vuelo.

·

El material con el que se construye la estructura debe ser ligero y además, debe de absorber la vibración, en el modelo final se usó madera tríplex debido a su gran capacidad de absorción de vibraciones y robustez frente a un choque.

·

Los multicópteros son en general muy estables con sus respectivas limitaciones individuales. Algunos multicópteros pueden usar ESCs que proveen de una mayor capacidad de corriente y fácilmente pueden alimentar motores más grandes y propelas de mayor diámetro. La carga que pueden levantar también es superior a las 3 lbs, o mucho mayor con una disminución de su tiempo de vuelo. Por lo que, un sobredimensionamiento coherente de los ESCs es importante si se desea futuras expansiones del multirotor. El prototipo desarrollado puede llevar una carga extra a su peso de 700 gramos.

·

Antes de intentar hacer volar el tricóptero, es necesario haber practicado algún tiempo en un simulador de vuelo debido a algunos factores como son la familiarización con los mandos del control remoto y la dificultad de maniobrar el tricóptero debido a las diferentes orientaciones espaciales. Se concluye que el operador del tricóptero debe realizar mínimo 30 horas de vuelo en un simulador para garantizar la seguridad física tanto del tricóptero como del operador.

·

No se realizaron pruebas de la velocidad máxima y aceleración que el prototipo puede alcanzar debido a la falta de experiencia en la

113

maniobrabilidad del prototipo y a los costos monetarios que implica una caída, choque o golpe del tricóptero. ·

En base a las pruebas con diversos tipos de propelas, se concluye que la mejor opción de propelas para un tricóptero son las del tipo Slow-Fly two blade por su alta eficiencia y desempeño. Los otros tipos de propelas producen demasiada vibración o un empuje que no es lo suficientemente grande para elevar el prototipo.

·

Con base en la experiencia adquirida durante el desarrollo de los 10 modelos, se concluye que el diseño de los brazos, estructura, y montaje de motores es importante hacerlo en forma modular. Es más fácil y rápido de remplazar un módulo, dígase un brazo roto, que remplazar toda la estructura, si esta fuese una sola pieza.

·

Se determinó que el sistema FPV montado en el tricóptero es insuficiente para lograr maniobrarlo de forma estable y realizar diversas maniobras. La dificultad en adaptarse a una visión de solo 120 grados imposibilitó que un operador pueda maniobrar el prototipo con las gafas puestas.

·

El alcance del sistema FPV adquirido es menor que el determinado en las especificaciones de diseño debido a la potencia de las antenas, al costo propio del equipo y las baterías adicionales que son requeridas para el funcionamiento del sistema FPV.

·

El tiempo de vuelo teórico difiere del experimental obtenido debido a que se utilizaron propelas de diferente dimensión, y baterías que ya tenían una larga vida útil; factores que notablemente influyen en la autonomía de vuelo del tricóptero.

·

Se debe encender siempre, primero la emisora y luego el receptor, y cuando se apague el radio control Futaba, siempre se debe apagar primero el receptor. El objetivo es no tener nunca encendido únicamente el receptor pues, de otra forma, los servos podrían dañarse o incluso, los motores podrían activarse inesperadamente causando graves heridas y daños.

114

6.2. RECOMENDACIONES ·

Para lograr una altitud constante podría ser agregado un sensor del tipo barómetro con el cual se podría realizar un lazo de control que permita obtener una altura constante.

·

Para evadir obstáculos podrían ser agregados sensores de tipo ultrasónico con los cuales se podría realizar un lazo de control para evitar un choque directo con un objeto.

·

Se puede agregar un módulo de comunicación wireless, para de ser posible evitar comprar el control remoto cuyo precio es elevado.

·

Con el uso de un GPS sería posible realizar tareas de vuelo autónomo, haciendo que el tricóptero salga de un punto A y llegue a un punto B de manera automática.

·

Con el uso de sensores infrarrojos podría usarse el prototipo en la oscuridad y hacer vuelos nocturnos.

·

Es recomendable agregar un micrófono a la aeronave debido a que muchas personas en el ambiente del aeromodelismo son capaces de diagnosticar daños en pleno vuelo y con esto poder realizar las maniobras necesarias para prevenir un choque.

·

La estructura podría ser mejorada realizándose integralmente de fibra de carbono con lo cual el peso disminuiría a un tercio del su peso actual con lo cual se mejoraría el desempeño.

·

Es recomendable diseñar la estructura de soporte (frame) con la ayuda de un ingeniero mecánico, para, mediante el análisis por mecánica de fluidos, modelar previamente la estructura y obtener datos fiables de materiales y partes a ser construidas, con el fin de mejorar la parte aerodinámica y el peso del prototipo.

·

En un próximo modelo podría ser agregado un sensor Kinect para realizar un mapeamiento en tiempo real.

·

No se recomienda usar el tricóptero en días lluviosos, aunque el sistema sea a prueba se agua, pues la lluvia crea interferencia dificultando que la señal llegue al receptor.

·

Es importante hacer visiblemente distinguible la cola del resto de brazos, debido a que a una distancia considerable se pierde la ubicación espacial de

115

la aeronave; por lo que se podría aumentar una pequeña estructura de espuma flex que ayude a este propósito. ·

Se debe ser consciente de que un multicóptero con su respectiva batería LiPo cargada, es considerado un potencial peligro si no se tiene las precauciones necesarias. Es importante comprender el peligro que se corre tanto para la persona que está montando la aeronave, como para niños y adultos mientras éste vuela.

·

Es importante, en caso de estar a punto de estrellarse, desacelerar el tricóptero hasta cero, caso contrario este sufrirá peores daños.

·

Las propelas montadas directamente en los brazos generan una onda pulsante de vibración. Se empeora conforme las propelas están más cerca del brazo y, si el brazo es plano y ancho. Por lo que, mantener las propelas lo más alejadas de los brazos es muy importante para disminuir las vibraciones. Este efecto ha sido probado que disminuye al acercarse al radio de la propela.

·

Las baterías LiPo usadas en R/C son seguras solo si se juntan con el cargador adecuado y los procedimientos de seguridad recomendados. Es importante remover o dejar de usar baterías que han sido abombadas, abolladas o dañadas. Éstas pueden explotar y causar graves daños físicos y materiales.

Además,

pueden

y

producirán

flamas

y

metralla

con

temperaturas superiores a los 815 °C. Es importante revisar e inspeccionar la condición de la batería antes de cada vuelo. ·

Para el uso y buen desempeño de multicópteros, los ESC deben ser programables

manualmente

para

su

mejor

funcionamiento.

No

es

recomendable usar un ESC que tiene un “auto-throtle calibration”, ya que estos no trabajan bien en multicópteros y causan un excesivo derrape de las rpm del motor, y no permiten tener al multicóptero en el momento y posición deseada; además de no encender al mismo tiempo a los motores y distribuir inequitativamente la energía a los mismos. ·

Es recomendable setear los ESC con Brake y Governor mode en off, LVC off si este está disponible, start=normal, softcut-off, NiMh (incluso si la bacteria es LiPo), y lowvoltage, ya que estas especificaciones funcionan muy bien el prototipo desarrollado.

116

·

La mejor practica es utilizar una alarma para sensar el voltaje de la batería, y de esta forma evitar dañar la batería por descargarse excesivamente. Se recomienda descargar la batería hasta un 15% del voltaje a full carga. Esto se traduce en no dejar que el voltaje disminuya más de 9.4 V para una batería de 11.1 V.

·

En la opción de “motor timing”, la diferencia entre low, médium y high es casi imperceptible para el usuario, pero es una opción relacionada con la eficiencia del motor. Si el motor trastabilla o chasquea excesivamente y el timing está en high, se debe bajarlo a médium o slow.

·

Es recomendable trenzar los cables de poder que alimentan los ESC para minimizar las interrupciones y emisiones EMI. También es recomendable usar el cable justo que soporte la corriente requerida por los motores y no sobredimensionarlo para ahorrar peso.

·

Es recomendable como una buena práctica en multicópteros no usar ESCs y 5 V BECs en paralelo con sus líneas de poder. Éstos se calentarán en exceso, serán menos eficientes y pueden inducir potencialmente ruido en la tarjeta de control del multicóptero causando problemas de desempeño.

·

Es recomendable revisar si los motores están bien sujetos a su base antes de cada vuelo. Si están flojos, debido a la expansión por calor, éstos pueden desconectarse

o

salirse

completamente

de

su

sitio

de

montaje,

sobrecalentarse y eventualmente producir un accidente. Es importante por tanto revisar que estén firmes antes y después de cada vuelo, especialmente en un aterrizaje fuerte. ·

No se debe acelerar a un motor a la máxima rpm que alcanza a full throtle sin propela, porque esto puede dañar potencialmente al motor. Existe la posibilidad de derretir el esmalte en los bobinados dado que no hay un flujo de aire y podría perderse o despegarse los imanes debido a la gran fuerza centrífuga producida en el interior del motor. Este hecho no se produce inmediatamente pero si acorta la vida útil del motor.

·

Si se necesita cortar el eje del motor es importante proteger el motor de pequeñas limaduras que pueden entrar dentro de la campana y obstruir el normal giro de la campana y el bobinado.

·

Los conectores tipo bala (bullet terminals) son frecuentemente causa de parar los motores y causar un accidente. Por lo que, es recomendable

117

revisarlos y observar si están en buen estado para evitar que luego se aflojen y posteriormente desconecten una línea de energía del motor produciendo que éste deje de girar. Para evitar esta situación se recomienda soldar directamente los cables y no usar conectores intermedios. ·

Es importante mirar y escuchar a un motor. Los motores brushless son muy buenos para notificar de su estado de salud. Para todo pre y post vuelo, es importante escuchar cualquier sonido anómalo que indica un problema con el giro del motor. La revisión por tanto del movimiento del eje, de los cables que salen de los bobinados, y de la suelda y los cables en los conectores, es importante antes y después de un vuelo. También se debe revisar la temperatura de estas partes después del vuelo. Si están demasiado calientes entonces o la propela no es la adecuada o hay un problema mecánico que necesita ser arreglado. Se debe observar que los motores inician y se detienen aproximadamente al mismo tiempo. Cualquier diferencia puede ser un problema mecánico como el roce en el entrehierro o su obstrucción con alguna partícula, para lo cual se deberá desarmar al motor y limpiar el entrehierro.

·

Es importante nunca poner una alarma cerca de la tarjeta de control debido a que ésta puede interferir con las señales, por lo que es

recomendable

montarla a por lo menos 12 cm del circuito de control. ·

No es recomendable utilizar hélices tipo tri-blade propeller porque no tienen una buena eficiencia y pueden causar oscilaciones.

·

Finalmente es recomendable incorporar una alarma que sense el voltaje de la batería y de una señal de alarma cuando este disminuye del 15% de la carga nominal, para evitar daños en el tricóptero.

118

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125

ANEXO 1 BALANCEO DE HÉLICES Aprender como balancear las hélices es un proceso simple y vale la pena el tiempo invertido en hacerlo; es fácil pensar que las hélices vienen de la fábrica balanceada pero eso ocurre raras veces. Una hélice perfectamente balanceada significa menos vibración en la aeronave y esto es muy beneficioso, ya que severas vibraciones pueden causar debilidades y fallas con el tiempo, no solo en la estructura sino también en las partes electrónicas del avión. Para el corto tiempo que toma balancear las hélices los beneficios son grandes. Pasos: Lo primero que se tiene que hacer es comprar una herramienta de balanceo de hélices. Paso 1: Asegurar la hélice a ser balanceada en la herramienta de balanceo y localizarla en un lugar en el que la hélice pueda moverse con libertad. También es importante que no haya movimiento de aire en el cuarto, incluso una respiración profunda sobre la hélice puede producir una lectura falsa. Dejar a la hélice balancearse libremente y que llegue a estado de reposo. Si hay una diferencia de peso entre las dos cuchillas, la cuchilla más pesada quedara más baja que la más liviana:

Fig. A.1. Hélices y herramienta de balanceo.

Paso 2: Una vez determinado que hay una diferencia de peso entre las cuchillas, sacar la hélice del balanceador, agregar peso a la hélice más ligera o remover peso de la hélice más pesada. Se tiene algunas opciones aquí; para agregar peso a la cuchilla más liviana se puede agregar cinta adhesiva o film adhesivo al anverso de la hélice, o se puede usar pintura o laca. Esta es la mejor opción realmente porque es más permanente que la cinta, ya que ésta puede despegarse con el tiempo.

126

Cualquier cosa que se use, agregue pequeñas cantidades y revisar el balance cada vez que se agregue. Para remover el peso de la hélice más pesada, lijar el anverso de la cuchilla más pesada tan cerca del centro como sea posible. Nunca remover peso de los extremos debido a que esto puede perjudicar el rendimiento de la hélice.

Fig. A.2. Ejemplo de corrección del peso de la hélice.

Paso 3: Seguir revisando el balance en cada alteración. Un pequeño peso va a tener que se quitado o aumentado para resolver el desbalance. Cuando el balance de la hélice es correcto, la hélice mantendrá la posición en la que es situada ya sea con una cuchilla a más nivel que la otra.

Fig. A.3. Ejemplo de hélice balanceada.

Recordar revisar el balance antes de instalar una hélice nueva y volver a revisar el balance regularmente, debido a que cuando ocurren aterrizajes forzosos partes pequeñas de las hélices se pierden y estos pueden afectar el balance.

127

ANEXO 2 AIR CRAFT DATASHEET Aeronaut CAM Series Folders with 52, 47, 42mm centre hubs POWER FACTOR = 3.08

PropSize

Aeronaut 52mm AE 8*5 0.106 AE 9*5 0.158 AE 9.5*5 0.200 AE 10*6 0.217 AE 10*8 0.381 AE 11*7 0.409 AE 11*8 0.451 AE 12*6.5 0.480 AE 12*8 0.703 AE 12*9 0.818 AE 12.5*7.5 0.744 AE 13*8 0.758 AE 13*11 1.230 AE 14* 8 1.465 AE 14* 9 1.706 AE 14*10 2.002 AE 15* 8 1.400 AE 15*10 1.978 AE 15*13 2.919 AE 16* 8 1.682 AE 16*10 2.415 AE 16*13 3.191 AE 17* 9 2.626 AE 17*11 3.847 AE 17*13 5.664 AE 18*11 3.535 AE 18.5*12 4.774

PROP CONSTANTS W. Geck 47mm 42mm 42mm 0.090 0.079 0.138 0.123 0.111 0.178 0.159 0.132 0.194 0.175 0.171 0.340 0.299 0.361 0.329 0.311 0.409 0.372 0.367 0.438 0.401 0.362 0.642 0.588 0.515 0.744 0.682 0.596 0.678 0.623 0.625 0.699 0.642 1.135 1.043 0.901 1.346 1.249 1.024 1.573 1.454 1.271 1.839 1.706 1.555 1.327 1.258 1.876 1.778 2.702 2.529 2.467 1.599 1.512 2.266 2.110 2.289 2.977 2.781 2.715 2.460 2.307 3.610 3.311 3.253 5.271 4.944 4.061. 3.330 2.988 2.845 4.582 4.385

Dyno 42mm

0.145 0.191

0.691 1.111 1.317 1.855 1.768

2.291 2.261 4.081 4.205

Average 42mm 0.079 0.117 0.145 0.179 0.299 0.320 0.369 0.382 0.551 0.639 0.646 0.642 1.018 1.136 1.347 1.705 1.258 1.773 2.498 1.512 2.230 2.748 2.284 3.548 4.575 2.917 4.385

Aeronaut Classic Series Folders with 52, 47, 42mm centre hubs POWER FACTOR = 3.08

PropSize AE 7*6 AE 8*5 AE 9*5 AE 9*6.5 AE 9.5*5 AE 10*7 AE 10.5*6 AE 11*6.5 AE 11.5*7 AE 12*7

PROP CONSTANTS Ex AeronautWebsite W. Geck 52mm 47mm 42mm 42mm 0.065 0.054 0.046 0.07 0.111 0.094 0.083 0.097 0.085 0.076 0.259 0.227 0.202 0.167 0.148 0.132 0.363 0.324 0.292 0.357 0.323 0.292 0.441 0.389 0.354 0.511 0.465 0.422 0.469 0.427 0.391

Dyno 42mm

0.34

Average 42mm 0.058 0.083 0.093 0.202 0.132 0.292 0.292 0.347 0.422 0.391

128

AE 12.5*6.5 AE 12.5*10 AE 13*6.5 AE 13.5*7 AE 14*7 AE 15*9.5 AE 16.5*15 AE 18*8

0.574 0.624 0.658 0.880 1.065 1.442 3.888 2.167

0.524 0.569 0.602 0.813 0.980 1.336 3.610 2.037

0.483 0.524 0.555 0.749 0.909 1.249 3.392 1.935

0.53

0.86 ? 3.424

Aeronaut Fixed Electric Props* POWER FACTOR 3.0 PropSize PROP CONSTANTS 6x5 0.033 6.5x4 0.031 7x7 0.085 8.5x5 0.085 8.5x6 0.120 8.5x7 0.166 9.5x5 0.184 9.5x6 0.195 9.5x7 0.248 10x6 0.239 10x7 0.303 10x8 0.426 10.5x6 0.321 10.5x7 0.340 10.5x8 0.381 *constants from Aeronaut dataGraupner CAM Folders* POWER FACTOR 3.08

PropSize PROP CONSTANTS 8x6 0.071 9x6 0.149 10x6 0.248 11x6 12x6 0.388 13x7 0.784 14x9.5 1.089 *constants from Mr. W. GeckGraupner Speed Props* POWER FACTOR 3.08

PropSize PROP CONSTANTS 7x7 0.0731 6.5x6.5 0.0541 6x5.5 0.0330 6x6 0.0376 5.5x5.5 0.0286 5x5 0.0243 4.75x4.75 0.0182 *constants from Mr. P. Connolly for HyperionAPC Electric "E" Series

0.483 0.527 0.555 0.749 0.885 1.249 3.408 1.935

129

PropSize PROP CONSTANTS POWER FACTOR 6x4 0.015 3.20 7x5 0.042 3.20 8x4 0.060 3.20 8x6 0.106 3.20 8x8 0.148 3.20 9x4.5 0.090 3.20 9x6 0.129 3.20 9x7.5 0.352 2.90 9x9 0.448 2.90 10x5 0.144 3.20 10x7 0.223 3.20 10x10 0.680 2.90 11x5.5 0.222 3.20 11x7 0.301 3.20 11x8 0.357 3.20 11x8.5 0.383 3.20 11x10 0.589 3.20 12x6 0.322 3.20 12x10 0.706 3.20 12x12 1.528 2.90 13x4 0.299 3.20 13x6.5 0.516 3.20 13x8 0.590 3.20 13x10 0.825 3.20 14x7 0.715 3.20 14x10 1.118 3.20 *constants and pf from Mr. P. Connolly for HyperionAPC SLOWFLY Series

PropSize PROP CONSTANTS POWER FACTOR 7*4 0.028 3.30 7*5 0.028 3.40 7*6 0.039 3.40 8*3.8 0.045 3.40 8*6 0.087 3.40 9*3.8 0.048 3.55 9*4.7 0.146 3.00 9*6 0.119 3.55 9*7.5 0.204 3.40 10*3.8 0.136 3.40 10*4.7 0.187 3.30 10*7 0.337 3.30 11*3.8 0.183 3.40 11*4.7 0.283 3.30 11*7 0.398 3.40 12*3.8 0.230 3.60 12*6 0.629 3.30 *constants and pf from Mr. P. Connolly for Hyperion APC Electric Sport Series* POWER FACTOR 3.00

130

PropSize 7x4 7x5 7x6 7x8 8x5 8x8 9x5 9x6 10x5 10x6 10x7 10x8 10x9 11x10 11x11 11x5 11x6 11x7 11x8 11x9 12x10 12x6 12x7 12x8 12x9 13x6 13x7 13x8

PROP CONSTANTS* 0.039 0.048 0.072 0.111 0.095 0.169 0.132 0.174 0.239 0.268 0.311 0.373 0.477 0.669 0.894 0.309 0.384 0.413 0.541 0.619 0.974 0.561 0.584 0.671 0.779 0.668 0.779 0.859

CONSTANTS DYNO*

0.129

0.514

*constants are from Mr. W. Geck, except "Constants Dyno" from Mr. P. Connolly for Hyperion.

131

ANEXO 3 CIRCUITO DE LA PLACA DE CONTROL

Fig. A.4. Placa con giroscopios analógicos HK401

Fig. A.5. Placa con giroscopios analógicos de Wii Motion Plus.

132

Fig. A.6. Placa con Arduino Mini 5V y giroscopios HK401.

Fig. A.7. Placa con giroscopios MURATA ENC-03 (1).

133

Fig. A.8. Placa con giroscopios MURATA ENC-03 (2).

134

Capa superior

Capa inferior

Fig. A.9. Circuito Impreso de Placa con giroscopios MURATA ENC-03 (2).

135

ANEXO 4 CIRCUITO ELECTRÓNICO DE LA PLACA DE CONTROL